12.3 Перспективы развития

12.3.1 Основные ограничения и тенденции развития

Размеры приборов могут уменьшаться до тех пор, пока не будут достигнуты минимальные линейные размеры с точки зрения физических принципов работы приборов или имеющихся возможностей получения требуемых размеров и допусков.

В большей части микроэлектронных приборов, изготавли­ваемых и находящихся в эксплуатации, используются объем­ные свойства материалов. Это касается прежде всего свойств упорядоченной системы большого набора атомов, при умень­шении размеров которого за некоторую критическую величину используемые физические свойства системы начинают подчи­няться другим законам. Например, при передаче электромаг­нитного излучения с заданной длиной волны через волновод су­ществуют некоторые критические размеры поперечного сече­ния, ниже которых электромагнитная волна по волноводу рас­пространяться не может.

В табл. 12.1 приведен список наиболее распространенных приборов с указанием характеристических размеров, наклады­вающих принципиальные физические ограничения на их даль­нейшую миниатюризацию.

Таблица12.1 Факторы, ограничивающие предельные размеры минкроэлектронных приборов

Прибор	Принципиальное ограничение предельных размеров	Приблизительные минимальные размеры
		нанометры	Чисдо атомов
МОП-транзистор	Длина канала, определяемая пробивным напряжением	2,5·102	1000
Биполярный тран­зистор	Толщина базы и концентрация легирующей примеси в базе	2,5·102	1000
Память на магнит­ных доменах	Диаметр домена, определяемый его энергетикой	50	200
Линии задержки на поверхностных аку­стических волнах	Поверхностная длина волны, определяемая ослаблением в по­верхностной пленке	2,5·102	1000
Электромагнитные волноводы	Длина волны, определяемая энергией фотона (обычно в опти­ческом диапазоне для оптоэлектронных приборов)	4·102	1000
Приборы с зарядо­вой связью	Число электронов в зарядовом пакете вблизи поверхности, опре­деляемое пробивным напряжением и статистическим разбросом	100	300

Основные ограничения, свойственные планарному циклу производства приборов, связаны с изготовлением шаблона и травлением (проявлением) рисунка, так как тонкопленочная технология хорошо освоена и глубина залегания слоев объем­ных приборов может контролироваться с необходимой точно­стью. В настоящее время электронно-лучевая литография по­зволяет получать ширину линий до 300 нм с резкостью краев до 10 нм. Дальнейший прогресс при использовании стандарт­ного технологического процесса вряд ли возможен вследствие рассеяния электронов в подложке, однако разработка специ­альных методов электронно-лучевой литографии позволяет на­деяться на получение еще меньших размеров. Ионно-лучевая литография обладает большими возможностями по сравнению с электронно-лучевой, и поэтому при ее использовании можно ожидать освоения в обычном технологическом процессе разме­ров менее 10 нм. Так как с помощью ионного пучка можно вы­полнять операцию плазменного травления после прорисовки рисунка, одновременно решается проблема управляемого трав­ления.

В настоящее время разрешение при наблюдении деталей приборов с помощью электронных микроскопов меньше пре­дельных размеров, связанных с технологическими ограничени­ями, а возможности исследования свойств материалов, из ко­торых изготавливаются приборы, также приближаются к ана­логичным пределам.

Из предыдущего обсуждения можно сделать вывод, что в ближайшие 10—20 лет будут достигнуты предельные раз­меры, соответствующие фундаментальным физическим ограни­чениям. Кроме того, следует ожидать в ближайшие десятиле­тия изобретения, изготовления и освоения новых типов прибо­ров, основанных на объемных эффектах. Эти приборы выйдут за рамки традиционной микроэлектроники и будут использо­ваться для химического анализа, в качестве чувствительных элементов и для выполнения биологических функций.

Однако существует достаточно четкая граница между раз­мером естественной природной единицы — атома и размерами, например, начиная с 1000 атомов, при которых описание мак­роскопических физических явлений перестает быть справедли­вым. Это молекулярная шкала. Несмотря на то, что природа при образовании живых клеток использовала широкий набор разнообразных и сложных связей именно на молекулярном уровне, человек не в состоянии повторить подобное конструиро­вание даже для более тривиальных целей. Это связано с непо­ниманием явлений, происходящих на молекулярном уровне и отсутствием их научной трактовки. Можно надеяться, что с по­мощью микроэлектронных приборов и устройств, работающих на известных принципах, в недалеком будущем можно будет понять эти явления, открывающие путь к освоению молекуляр­ной шкалы.

Любой прибор имеет свой набор ограничений на уменьше­ние размеров в зависимости от специфических особенностей функционирования, и поэтому нужно проводить отдельный ана­лиз каждого прибора. Ввиду того что в настоящем материале глав­ное внимание уделяется кремниевым планарным приборам в следующем разделе проведены качественный и количествен­ный анализы предельных размеров МОП-транзисторов, выте­кающих из специфики их функционирования, изготовления и использования. Возможности приборов других типов могут быть выяснены аналогичным путем.

Ограничения планарной технологии связаны с двумя областями. Первая относится к возможности формирования слоев заданной толщины с необходимыми химическими, физическими и поверхностными свойствами. Толщина слоев может контро­лироваться вплоть до атомных размеров. Свойства слоев определяют характеристики приборов и не могут быть рассмотрены в общем виде. Вторая область относится к фор­мированию рисунка в этих слоях при минимально возможных допусках. Ограничения такого рода являются наиболее об­щими и рассматриваются ниже.