Последние тенденции в ультра-миниатюризированных КМДП

Размещено на http://www.allbest.ru

Отдел твердотельных приборов

Центральный инженерно-исследовательский институт электроники

Последние тенденции в ультра-миниатюризированных КМДП (Комплементарных металл-диэлектрик-полупроводник) транзисторах, одноэлектронные и молекулярные приборы: Сравнительный анализ высокопроизводительной вычислительной наноэлектроники

В.К. Ханна

Рассмотрены сегодняшнее состояние и тенденции трёх технологий ультраминиатюрных интегральных схем, а именно наноКМДП, всесторонне рассмотрены одноэлектронные приборы и биомолекулярная электроника. Проведено сравнительное исследование, учитывающее их достоинства и недостатки для наноэлектронной вычислительной техники. Основные аспекты МДП скейлинга, с физической точки зрения, включают: печально известный короткоканальный эффект, причиной которого является индуцированное стоком понижение барьера; узкоканальный эффект, связанный с малой шириной канала; эффект, связанный с уменьшением всех геометрических размеров, и деградацию горячих носителей заряда; вместе с несовместимыми требованиями мелкосилицированных переходов и соединений, имеющих низкую утечку; случайные флуктуации легирования; надёжность ультратонкого затвора; эффект истощения поликремния; атомарную шероховатость на поверхности раздела Si/SiO2 и высокие расходы на литографию, с технической стороны. Одно из возможных направлений для поддержки роста плотности приборов -- это переход с традиционной парадигмы полевых транзисторов к парадигме, основанной на наноструктурах. Одноэлектронная технология не смогла выдержать предусмотренных последствий. Поскольку перспективы собственно одноэлектронной логики мрачны, концепция смешанной одноэлектронно-полевой многозначной логики кажется более выгодной. Но для достижения максимальной производительности, возможно, будет целесообразно фундаментально поменять философию, начиная с молекулярного уровня, вместо скейлинга старых технологий до нанометрового уровня. Молекулярная электроника может оказаться подходящим вариантом, поскольку дальнейшая стоимость технологий, полученных скейлингом и эффективность полученных приборов оцениваются довольно пессимистично. Этот обзор имеет своей целью вызвать повышенный интерес к этим футуристическим нанотехнологиям.

Ключевые слова: нанотехнологии, компьютеры, одноэлектронный транзистор, молекулярная электроника, наноячейки, квантовые точки.

наноэлектроника короткоканальный оксидный

Введение

Компьютерная индустрия развивается не по дням, а по часам. Этот феноменальный успех объясняется постоянным уменьшением размеров современных КМДП устройств и уменьшением задержки, что приводит к более дешёвым, быстрым и плотноупакованным компьютерам со сниженным потреблением мощности и повышенной функциональностью. Потребность пользователей в портативных устройствах с питанием от батареи стимулировала приложение значительных усилий для исследования низковольтных приборов. Полевые МДП (Металл-диэлектрих-полупроводник) транзисторы с длинной канала в десятки нанометров уже массово производятся, в то время как приборы с длинной канала меньше, чем 10 нанометров были продемонстрированы в научных кругах. Пересекая отметку в 10 нанометров, МДПТ подходят к основным пределам работоспособности(1), и в этих масштабах их реализация сталкивается с огромными физическими и экономическими ограничениями. Информационные технологии требуют высокоскоросных устройств. Естественно, альтернативные подходы, такие, как одноэлектронные и молекулярные технологии привлекли внимание исследователей со всего мира(2). Эта работа критически обсуждает препятствия, стоящие на пути у наноМДП технологии, и проливает свет на новые развивающиеся технологии, способные поддержать постоянный темп развития в этом жизненно важном секторе. Вклад в виде усилий и затрат, направленных на исследование, вместе с получаемыми при этом относительными технологическими и экономическими преимуществами -- основные обсуждаемые здесь факторы.

Рис. 1 (а) Упрощённая структура n-канального МДПТ. (b) р-канального и n-канального транзисторов в n-канальной КМДП технологии

1. Вступление к переключательным и усилительным приборам для нанокомпьютеров

Чтобы помочь читателю понять предмет и оценить важность поднятых проблем, мы начнём с ознакомления с усиливающими и переключающими приборами, составляющими современные электронно вычислительные машины (ЭВМ). Все электронно вычислительные устройства содержат основную структурнню единицу, «транзистор» - устройство, способное выполнять две функции: переключение и усиление. Состояние транзистора может быть использовано чтобы управлять напряжением, которое распознаётся компьютером как логический ноль или единица. Кроме того, транзистор может в несколько раз усилять входящий сигнал на выходе. Функция переключения позволяет реализовать логические или арифметические функции в компьютере, в то время как функция усилителя позволяет передавать сигнал в компьютере без затухания.

Наиболее широко используемые в ЭВМ транзисторы -- это полевые МДП транзисторы. В этих приборах ток движется от истокового контакта до стока, если напряжение, приложенное к затвору, достаточно чтобы инвертировать проводимость лежащего под ним слоя кремния для создания проводящего канала между истоком и стоком. Пара, состоящая из n-канального и p-канального МДП транзисторов, составляющая комплементарную МДП структуру (КМОП), широко используется в цифровых схемах.

Для увеличения вычислительных способностей компьютеров, их основная структурная единица, а именно - МДП транзистор, постепенно уменьшaлся в размерах, создавая сверхплотные электрические схемы. Сегодня МДП технология достигла таких пределов, при которых дальнейшая миниатюризация будет осложнена ограничениями технологии производства и законами квантовой механики, руководящими функционированием этих приборов. Две альтернативные категории приборов возникли как варианты решения этой проблемы: одноэлектронные транзисторы и молекулярные приборы.

В следующей главе мы обратим более пристальное внимание на проблемы, возникающие при уменьшении МДП транзисторов. Далее будут описаны новые наноэлектронные переключающие и усиляющие приборы. Хотя принципы работы этих приборов радикально отличаются от таковых в МДП транзисторах, в этих приборах сохранились термины «сток», «исток», «затвор», играющие такие же роли, как и в полевых транзисторах. Чтобы читатель имел представление о терминологии этих приборов: одноэлектронный транзистор(3-10) содержит маленький островок из металла или полупроводника, размеры которого могут варьироваться в пределах 5-100 нм. Этот островок встроен между двумя тонкими стенами из другого материала или в слой изолирующего окисла материала островка. Таким образом, считается, что островок находится между двумя потенциальными барьерами.

Заключённые на островке электроны проявляют два основных квантово-механических эффекта: квантование энергии и туннелирование. Эти эффекты управляют транспортом электронов в наноэлектронном приборе. Квантовая механика позволяет энергии каждого электрона находиться на одном из одноэлектронных энергетических уровней, число которых конечно. Более того, когда потенциальный барьер очень тонкий, ~ 5-10 нм, то существует определённая вероятность «туннелирования» электронов из островка или на него, при условии, что на противоположной стороне есть свободный энергетический уровень той же энергии.

Другой подход -- молекулярная электроника(11-19) -- основан на разработке молекулярных структур, которые могут вести себя как переключающие элементы, и сборке этих молекул в высокоточно расширенные структуры для вычислений. Способность одной молекулы проводить ток нельзя было легко заметить, поскольку очень узкие структуры-проводб имеют высокие сопротивления, даже если они сделаны из хороших электропроводящих материалов. Известно, что цепочки молекул, собранные из повторяющихся ароматических (aromatic) групп с ацетиленовой связью, могут проводить ток. Они называются молекулярными проводями и могут быть изготовленными с заметно большой длинной. Объединяя это со структурами квантовых ям для ограничения подвижных электронов, можно создать переключающее устройство. Квантовая яма может быть размещена в молекулярном проводе путём встраивания пары барьерных групп, которые прервут последовательное соединение р-орбиталей.

После этого короткого ознакомления, мы можем начать исследовать проблемы, с которыми сталкиваются при уменьшении МДП приборов.

2. Скейлинг МОП приборов, основные проблемы и поиск альтернативных подходов

С тех пор, как Дж. С. Килби показал первую интегральную схему в 1958, объёмы производства полупроводниковых ИС начало возрастать экспоненциально. В 1965 Гордон Мур, один из основателей фирмы Intel, заметил, что количество транзисторов на единицу площади интегральной схемы удваивается каждые 18 месяцев. Это предположение, названное Законом Мура, подтверждалось в течении последних четырёх десятилетий по ходу того, как сложность интегральных схем росла с малых интегральных схем (МИС: количество аткивных приборов в схеме: 1-100), через средние интегральные схемы (СИС: 100-10і), большие интегральные схемы (БИС: 10і-104), сверхбольшие интегральные схемы (СБИС: 104-105) к ультрабольшим интегральным схемам (УБИС: 105-106). Это стало возможным благодаря постоянному уменьшению геометрических размеров приборов. Прорывы в производстве полупроводниковых приборов за предыдущие два десятилетия опустили минимальные размеры приборов до области нанометров. С помощью преимуществ жёсткой ультрафиолетовой литографии, электронно-лучевой и рентгеновской литографии, эпитаксиального наращивания с точностью до атомарного слоя молекулярно-лучеовй эпитаксией (МЛЭ) и использования внедрённого в промышленность технологического процесса, миниатюризированные интегральные схемы, основанные на МДП, интенсивно работают в области обработки данных и ячейках памяти. В последние несколько лет, геометрия МДПТ достигла десятков нанометров с величинами, варьирующими между 10 и 100 нм. Уже доступны приборы с физической длинной затвора 40-50 нм. В следующие 2-3 года для производства будут доступны транзисторы с длинной затвора 35 нм. Прогноз таков, что текущие тенденции продолжат развиваться с той же скоростью, получая новую технологию каждые 3 года, и минимальный размер будет уменьшаться с фактором приблизительно 0,7. В 2009 станет доступной 70-нанометровая линейная КМДП технология. К 2012 самые продвинутые приборы будут иметь длинну затвора 50 нм с толщиной подзатворного диэлектрика менее, чем 1,5 нанометров. Предвидится, что после 2016 года МДП транзисторы уменьшатся до нанометровых величин, в то время, как их физические размеры в массовом производстве достигнут 9 нм (20,21).

Основные проблемы скейлинга МОП с возможными путями борьбы с ними перечисленны ниже:

(а) Короткоканальный эффект

Основной эффект -- это понижение порогового напряжения с сокращением длинны канала, как показано на рис. 2. Это становится заметным когда длинна канала становится сравнимой с глубиной зон обеднения сток-подложка или исток-подложка. Причина этого в перекрытии зон обеднения из-за поля на затворе с зонами обеднения возле переходов истока и стока (22). Это перекрытие уменьшает общее количество заряда обеднения, доступного р-подложке для компенсации электрического поля, приложенного к затвору. Новый результат распространения этого заряда это то, что зона обеднения под затвором имеет трапециоидальную, а не прямоуглольную, как исходило бы из простых расчётов, форму. Таким образом заряд возле непараллельных сторон трапеции вычитается из общего заряда, учитывая более низкое пороговое напряжение.

Первый шаг в преодолении короткоканального эффекта -- это убедиться в подходящем контроле сокращённого канала сокращением побочных удлиннений областей стока и истока уменьшая их глубину. Таким образом области стока/истока включают в себе две части, т. е. мелкие удлиннения областей стока/истока и глубокая область стока/истока. Повышая уровень легирования подложки во избежание побочного удлиннения области стока в дальнейшем облегчает последствия короткоканального эффекта. Это порождает заметное ухудшение производительности транзистора, поскольку подвижность носителей заряда в сильнолегированной области подложки чрезмерно уменьшена. Также увеличивается величина токов утечки. В результате, получаем ток в закрытом состоянии вместе с более высоким подпороговым колебанием. Лучшее средства -- это достижение того же результата вертикальным перераспределением легирования с помощью ретроградного профиля легирования. Удлиннённые области истока и стока сделаны для уменьшение паразитных сопротивлений, а карманы или ореолы произведены ионной имплантацией для увеличения концентрации примесей под областью канала. Так область с низкой концентрацией у поверхности управляет пороговым напряжением, в то время как ореолы обеспечивают неприкосновенность короткого канала. Эти карманы сделаны так, что они лежат близко к областям истока/стока для предотвращения проникновения, в то время, как область канала с более низким уровнем легирования для понижения порогового напряжения, остаётся нетронутой. Пиковая концентрация примесей в кармане должна быть большей, чем требуется в однородно легированном уровне под поверхностью. Хотя ретроградные профили повышают подвижность носителей заряда, к сожалению изъятие примеси из пограничной области канала уменьшает пороговое напряжение, приводя к недопустимо большим значениям тока выключения. Поэтому полученные преимущества -- предмет компромиса между токами активации и выключения. Использование низкого истощения канала, например, с более низкой шириной обеднением истока-стока уменьшает короткоканальный эффект. Однако, более низкая ширина обеднённого канала увеличивает подпороговую инверсию, понижая ток включения или же повышая ток выключения. Проще говоря, понижение ширины обеднённого канала исток-сток с помощью повышения концентрации примесей в подложке изменяет баланс между током включения и током выключения.

(б) Узкоканальный Эффект

Повышение порогового напряжения для малой ширины канала может быть объяснено с помощью рис. 3. Приближаясь к краю прибора, контур зоны обеднения делает переход с глубокой зоны обеднения под тонким подзатворным диэлектриком к мелкой зоне обеднения под более толстым полевым окислом (22). Практически, этот переход происходит плавно, а не резко, как показано пунктирными линиями для упрощения расчётов. Для более широких МДПТ вклад этого заряда, в сравнении с основным зарядом, пренебрежительно мал, но для более узких ширин этот заряд становится более заметной составной частью основного заряда, таким образом повышая пороговое напряжение прибора. Пороговое напряжение повышается из-за потерь, вызванных индуцированным затвором пространственным зарядом в ограничивающем поле.

Дополнительное увеличение в пороговом напряжении производится из-за внедрения сильнолегированных областей под полевым окислом, который называется канальной остановкой [channel stop] во время этапов высокотемпературной обработки области канала. Это внедрение повышает плотность заряда в области канала рядом с его краями. Чтобы противодействовать воздействию этого заряда, для инверсии необходимо приложить более высокое напряжение. Дальнейшее увеличение порогового напряжения происходит из-за эффекта птичьего клюва. Здесь сужение окисла приводит к дополнительному заряду под структурой оксида, повышая пороговое напряжение.

Рис. 3 поперечный разрез полевого МДП транзистора, показывающий реальные и идеальные формы зон обеднения

(в) Эффект малой геометрии

При одновременном уменьшении длинны и ширины канала, получившаяся низкоразмерная структура показывает не только короткоканальный и узкоканальный эффекты, но и комбинированный эффект из-за сочетания этих двух вышеизложенных эффектов. Это объединённое проявление короткоканального и узкоканального эффектов называется эффектом малой геометрии.

(г) Мелкие и глубокие контактные области истока/стока

Для неглубоких активных зон поперечный разрез стока и истока уменьшается, увеличивая последовательные паразитные сопротивления МДПТ. Отсюда следует, что требуются более глубокие активные зоны для минимизирования истокового и стокового сопротивлений. Но неглубокие активные зоны желательны для контроля короткоканальных эффектов. Поэтому необходимо достичь компромиса между очень мелкими активными зонами и уменьшением сопротивлений истока и стока. К тому же, искривление активной области возростает для неглубоких областей, увеличивая электрическое поле в области стока, таким образом понижая напряжение пробоя и увеличивая чувствительность прибора к эффектам горячих носителей. Более того, в мелких активных зонах вероятность их повреждения возрастает, содействуя току утечки.

Структура контакта истока/стока заключает в себе продлённую область меньшей глубины, а также основную область с большей глубиной. Карман области стока понижает пик электрического поля возле ближайшего к стоку края канала, тем самым понижая ущерб, наносимый горячими электронами, снижая при этом короткоканальный эффект. Более глубокая контактная область сформирована чтобы подогнать толщину кремниевого слоя и минимизировать утечку. Глубина глубоких активных областей не должна быть большей, чем нужно, поскольку высокие её значения требуют более толстого окисла для спэйсера и более длинную расширенную зону, что приводит к высоким сопротивлениям.

(д) Случайное расположение легирующих примесей в канале транзистора

Так как можно поместить только 100 атомов примесей на площади в 50 Ч 50 нанометров в полевом транзисторае влияние случайности их распределения на характеристиках транзистора становится более заметным в низкоразмерных приборах (21). Причина этому -- то, что легирование производится с помощью ионной имплантацией или термической диффузией. Оба процесса не могут контролировать точное расположение атома легирующей примеси. Существуют статистические вариации как количества, так и расположения примесных атомов. Общее число и пространственное распределение атомов легирующей примеси в канале разбросано вокруг среднего значения.

(е) Целостность оксидной плёнки

Со времени изобретения МДПТ, термически выращенная двуокись кремния была подзатворным окислом, не имеющим аналогов благодаря несравнимым с другими материалами выдающимися параметрами (23). Однако, ожидается, что плёнка двуокиси кремния тоньше, чем 3 нанометра не будет достаточно прочной для использования в качестве подзатворного диэлектрика транзистора в будущем. Прямое туннелирование очень чувствительно к толщине окисла, экспоненциально возрастая с толщиной. Ток повышенных значений увеличивает рассеяние резервной мощности, неблагоприятно влияя на производительность МДПТ. Для подзатворных диэлектриков толщиной < 5 нанометров наблюдается аномальный режим деградации, называемый квазипробоем (КП), создавая большие токи утечки на затворе при малых полях в диэлектрике и больших флуктуациях сигналов с затвора. Для транзисторов с длинной затвора ниже 100 нанометров главной задачей становится снижение токов утечки до допустимого уровня < 1 А/смІ для стационарных и < 1 мА/смІ для портативных устройств при требуемых ёмкостях затвора без серьёзных ухудшений подвижности в канале.

Поэтому термический оксид лучше всего заменить на материалы с более высокими диэлектрическими постоянными, такие, как оксинитриды кремния, TiO2, Ta2O5, Si3N4 и (Ba, Sr) TiO3. Оксид тантала с диэлектрической постоянной 25 может быть сделан в 6,4 раза толще двуокиси кремния с диэлектрической константой 3,9 для такой же толщины эквивалентного оксида. Таким образом, слой оксида тантала толщиной 6,4 нанометра производит тот же эффект, что и слой диоксида кремния толщиной 1 нанометр. Первый, исходя из потребности более толстых плёнок, обеспечивает простое управление толщиной. Но качество поверхности Si-SiO2 должно быть обеспечено для достижения высокой подвижности канала. Если такие пограничные уровни SiO2 нужно сочетать с Ta2O5, в дальнейшем это может привести к дополнительным сложностям так, как требуемая толщина пограничного слоя должна составлять 1 нанометр.

(ж) Эффект обеднения поликремния

Причина этого феномена (24) лежит в проникновении бора из р+ поликремниевого затвора сквозь тонкий подзатворный диэлектрик. Нитридно-оксидные или оксинитридные подзатворные диэлектрики используются для препятствования проникновению бора, но они ухудшают свойства МДП интерфейса, так что оксинитриды без нитрогена на границе раздела довольно полезны. Металлический электрод затвора из, например, W/TiNx -- многообещающая технология для МДПТ меньше 50 нм из-за низкого уровня обеднения затвора, высокой термостабильности, низких сопротивлений и совместимостью с КМОП технологией.

(з) Деградация низкоразмерных МДПТ, причинённая горячими носителями заряда

Носители заряда называются горячими (25) когда они обладают высокими энергиями, определяемыми через эффективную температуру Тэ , которая выше, чем температура решётки Т. Очевидно, что эти носители заряда не могут передать свою энергию атомам решётки достаточно быстро, чтобы достичь температурного баланса и таким образом не находятся в тепловом балансе с решёткой. Они генерируются в подложке или изолирующих зонах прибора или в инвертированном слое канала во время функционирования транзистора в линейном режиме или режиме насыщения. Главные проблемы, связанные с горячими носителями -- это прыжок порогового напряжения со временем, снижение проводимости, деградация стокового тока, лавинный пробой истока-стока, ток неосновных носителей заряда в подложке, паразитные токи в затворе. Чтобы максимально понизить влияние этих эффектов приняты специальные меры при разработке прибора.

Р-канальные МДПТ не так подвержены проблемам, связанным с горячими носителями заряда, как N-канальные транзисторы благодаря более высокму коэффициенту ионизации дырок и высоким потенциальным барьерам на границе с диэлектриком. В NМДПТ горячие носители состоят из горячих электронов подложки (ГЭП), горячих электронов канала (ГЭК), лавинных горячих электронов (ЛГЭ) и лавинных горячих дырок (ЛГД).

Горячие электроны подложки создаются тогда, когда электроны разгоняются полем затвора в сторону поверхности. Энергия большинства из этих электронов снижается вследитвии неупругого рассеяния. Когда электрическое поле становится больше 20 кВ/см, дрейфовая скорость электронов подходит к пределу. Дальнейшее увеличение поля на затворе приводит к ударной ионизации и, при подходящих условиях смещения, часть электронов набирает достаточно энергии для преодоления барьера на границе раздела Si-SiO2. Количество электронов, инжектированных в подзатворный диэлектрик определяется вероятностью эмиссии, которая, в свою очередь, контролируется высотой барьера. Вероятность эмиссии сильно повышается увеличением концентрации легирования подложки. Некоторые инжектированные в подзатворный диэлектрик электроны остаются там же, количество таких пойманных электронов со временем увеличивается. Накопленные электроны изменяют напряжение плоских зон и в результате -- пороговое напряжение прибора.

Горячие электроны канала создаются притяжением электронов положительным напряжением стока. Некоторые электроны нагреваются большими электрическими полями в зоне обеднения стока. Установлено, что напряжение на стоке требуется для поддержания инжекции горячих электронов в диэлектрик, понижаясь вместе с уменьшением длинны канала. Это происходит из-за повышенных значений электрического поля в области стока и из-за эффекта двухмерной природы полей в низкоразмерных приборах.

Горячие лавинные электроны и дырки создаются тогда, когда напряжение на стоке достаточно высоко для создания слабой лавины путём ударной ионизации в области отсечки МДПТ. Горячие лавинные электроны и дырки известны под общим названием «горячие лавинные носители» (ЛГН).

Градуирование профиля стока уменьшает генерацию горячих носителей, но если исток градуирован так же, как и сток, эффективность инжекции из стока в канал и, вследствии этого, проводимость [крутизна] падает, в то время, как сопротивление канала увеличивается.

(и) N-канальные и P-канальные МДПТ

В больших МДПТ двух или трёхкратно увеличенная подвижность электронов, по сравнению с подвижностью дырок, выливается в трёхкратную разницу в усилении тока и большую скорость переключения для N-МДП по сравнению с Р-МДП приборами. Но данное замечание не применимо к низкоразмерным N-МДП и Р-МДП приборам потому, что ток в этих приборах определяется скоростями насыщения носителей заряда, которая составляет ~1Ч107 см/с как для электронов, так и для дырок. Так значения сравнительной проводимости [] получаются как от N-МДП, так и от Р-МДП приборов.

Но у Р-МДП приборов последовательное сопротивление выше, чем у N-МДП. Причина -- то, что неглубокие области истока/стока в Р-МДП формируются благодаря диффузии бора, в то время, как в N-МДП неглубокие области получаются диффузией мышьяка. Бор имеет больший коэффициент диффузии, чем мышьяк, что отображается на больших пиковых поверхностных концентрациях мышьяка. С другой стороны, р-канальные МДП приборы обладают большей стойкостью к эффектам горячих носителей, чем n-канальные приборы. Это наиболее значительное преимущество в пользу Р-МДП приборов.

Вышеуказанные препятствия скейлингу МДП делают необходимыми другие подходы, к которым следует прибегать чтобы получить дальнейшее развитие в этой области.

Из-за того, что продолжающееся уменьшение габаритов МДП приборов должно соответствовать требованиям функциональности и воспроизводимости, имеет смысл рассматривать новые структуры приборов, такие как дельта-легированные (ДЛ) МДПТ, карманноимплантированные (КИ) МДПТ, частично и полностью обеднённые (PDT и FDT) МДПТ и МДПТ с двойным затвором (ДЗ), чтобы поддерживать постоянный рост отрасли интегральных схем в эпоху нанотехнологий (26). Ретроградный профиль легирования должен понизить минимальную доступную длинну канала на 20%, т. е. до 70 нм. Частично-обеднённые КНИ МДПТ обладают потенциалом к скейлингу, сравнимым с большинством МДПТ, но полностью обеднённые КНИ МДПТ трудно сделать меньше, чем 150 нм для удовлетворительной производительности короткого канала. Только ДЗ МДПТ может достичь очень маленькой длинны канала с низким пороговым напряжением и толщиной подзатворного диэлектрика > 4 нм. Два затвора обеспечивают хорошую электростатическую целостность, минимизируя индуцированное стоком понижение барьера и изменение порогового напряжение с длинной канала.

Нанотехнология -- это создание материалов, приборов и устройств через манипуляции с материей в области нанометровых величин (на атомном, молекулярном и супермолекулярном уровнях) и использование новых свойств и явлений, появляющихся на этом уровне. Поскольку основа всех природных материалов и процессов лежит в нанообласти, управление материалом в этой области позволяет создавать фундаментальные свойства именно на том уровне, на котором они определяются. Наноразмерная структура -- та, которая имеет хотя бы одну характеристику, измеряющуюся в нанометровом диапазоне.

Рис. 4 Базовая концепция одноэлектронных приборов

3. Основные физические закономерности одноэлектронных приборов

Одноэлектронные приборы имеют дело с управлением потока электронов между маленькими проводящими островками (27-29). Основная идея показана на рис. 4, где маленький проводник, называемый островком, электрически нейтрален вначале (рисунок 4а). Отсюда, дополнителный электрон переносится даже слабыми силами, т. е., туннелированием через энергетический барьер, созданный диэлектрическим слоем. Этот электрон нарушает баланс заряда на островке, делая его электрически отрицательным. Отрицательный заряд, полученный в результате островком, не позволяет любому другому электрону поблизости достичь островка (рис. 4b) из-за высокой напряжённости электрического поля, созданной им, которая может достигать ~ 140 кВ/см на поверхности сферы диаметром 10 нм в вакууме. Сильное электрическое поле -- эффект, созданный маленьким размером островка. Этот эффект выражается в величине энергии заряда из выражения

(1),

где q -- заряд электрона и С -- ёмкость островка. Блокировка перемещения любого дополнительного электрона на островок благодаря Кулоновской силе отталкивания имеет название эффекта Кулоновской блокады. Одноэлектронный прибор определяется как электронный компонент, в котором добавление или выделение электронов на/с электрод(а) контролируется с точностью до одного электрона, используя эффект Кулоновской блокады.

Размер островка очень мал, в крайнем случае он становится сравнимым с длинной волны де Бройля для электронов на островке, проявляетмя явление квантования энергии.

Отсюда и из энергии заряда, можно выразить более соответствующую величину -- энергию прибавления электронов Еа как:

(2)

в которой энергия заряда Ес является одним из компонентов, а оставшаяся часть -- квантовая кинетическая энергия электрона (Ек).

Кулоновская блокада возникает тогда, когда Кулоновская энергия становится сравнимой с тепловой энергией. При размере островка 100 нм, Ес вносит наибольший вклад в Еа, которая составляет порядка 1 мэВ ~ 10 К. Чтобы избежать подавления одноэлектронных эффектов тепловым шумом, эксперимены должны проводиться при условиях ниже 1 К. Для размера островка в 10 нм, Еа составляет 100 мэВ, так что прибор может работать и при комнатных температурах. Но для большинства одноэлектронных приборов размер островка нужно уменьшить до менее, чем 1 нм, что гораздо меньше, чем позволяет современная разрешающая способность литографии. Тогда Ек начинает играть решающую роль. Такие маленькие островки известны как квантовые точки. При таких размерах возможности транспорта весьма чувствительны к размеру и форме точки, и в таком случае островки такого размера обычно избегаются.

Рис. 5 Схематическое изображение одноэлектронного ящика

4. Принципиальные одноэлектронные приборы (ОЭПы)

(а) Одноэлектронный ящик, самый простой одноэлектронный прибор.

Этот прибор (рис. 5) состоит из резервуара электронов, называемого истоком, отделённого туннельным барьером от островка, за которым размещён электрод затвора. При подаче напряжения на затвор начинается туннелирование электронов между истоком и островком. Как электронный компонент вычислительной техники, одноэлектронный ящик имеет недостаток -- количество электронов в ящике зависит только от приложенного напряжения, так что компонент не может быть использован как запоминающее устройство для сохранения информации. Более того, компонент не может проводить постоянный ток. Для измерения состояния его заряда требуется электрометр.

(б) Одноэлектронный транзистор

Эта структура (рис. 6) не имеет недостатков одноэлектронного ящика. Состоит из маленького проводящего островка, помещённого между двумя туннельными барьерами и контролирующим электродом затвора. Он включает в себя проводящий островок, находящийся между терминалами истока и стока вместо канала или инверсионного слоя в МДПТ. Каждый раз, когда электрон добавляется на островок, транзистор ВКЛЮЧАЕТСЯ и ВЫКЛЮЧАЕТСЯ.

Основа одноэлектронных приборов -- составной туннельный переход, содержащий множество туннельных барьеров и электронных островков. Электронные островки сделаны по шаблону, методом зависимого окисления [pattern dependent oxidation method] (PADOX)(28). Сформированные естественным путём островки также используются. Исследуются также нанокремниевые материалы.

Рис. 6 Парно-емкостной одноэлектронный транзистор

5. Преимущества и недостатки одноэлектронной техники; особенности одноэлектронной памяти в сравнении с логикой

Главные преимущества одноэлектронных приборов: (I) простота скейлинга, исходящаа из функционирования прибора на кулоновском отталкивании между электронами, позволяет приборам работать в атомарных размерных областях, поддерживая наиболее высокую из возможных интеграцию, (II) малое рассеяние мощности благодаря вовлечению в процесс весьма малого числа электронов для выполнения базовых операций и (III) высокое быстродействие благодаря переносу малого количества электронов в процессе вопреки получению и потере заряда больших количеств электронов ~ 105 в одной цифровой операции.

Основная сложность, с которой сталкиваются при использовании одноэлектронных приборов, - это низкий уровень контроля тока в сравнении с КМДП приборами. Второй серьёзный недостаток -- работа только в низкотемпературных средах. Это применимо в лабораторных условиях, чтобы понять принципы работы прибора, но промышленный спрос требует, чтобы они могли работать при комнатных температурах. Функции прибора требуют структур с размерами менее 10 нанометров, что непросто изготовить, с точки зрения литографии. В-третьих, тунеллирование экспоненциально чувствительно к колебаниям толщины атомарного слоя в барьерах, создавая недопустимо большие разницы между разными приборами.

Как и схемы КМДП, исследования одноэлектронных приборов преследуют цель создания двоичной логики (30-32). Методы, используемые для исследования одноэлектронных приборов, включают прямую запись пучком электронов и манипуляции со сканирующим зондом. Низкая скорость мешает использованию этих методов по всех площади схемы или по всему уровню пластины. Поэтому создание УБИС схем с нанометровой разрешающей способностью кажется недопустимо дорогостоящим. Перспетивы использования одноэлектронных приборов, используемых хотя бы в компьютерных логиках, оказываются не вполне реальными (27). Более того, следует подчеркнуть, что современные технологические проблемы, такие, как задержка, вызванная длинной межсоединений и высокое потребление мощности, не могут быть решены удовлетворительно путём простой замены обычных приборов одноэлектронными. Такой эквивалентной заменой можно даже ухудшить ситуацию из-за низкой управляемости, причинённой высоким туннельным сопротивлением одноэлектронных приборов. Плохая управляемость одноэлектронных приборов ведёт к ухудшению их взаимодействия с удалёнными логическими единицами. Обойти эту проблему можно, используя схему с многозначной логикой (33), которая достигает большей функциональности при меньшем количестве компонетнов и межсоединений. Одноэлектронный транзистор обладает уникальными характеристиками (34), такими, как периодическое увеличение и уменьшение тока стока напряжением на затворе, помимо ступенчатого увеличения тока в стоке с напряжением на стоке, обеспечивая больший функционал, используя меньшее количество компонентов сетей.

Но гибридная память, использующая как полевые, так и одноэлектронные транзисторы может быть многообещающей. Здесь, также, есть болшой экономический недостаток, связанный с большой стоимостью нанопроизводства УБИС, использующей методы вроде записи электронным пучком. Кроме того, одноэлектронные приборы также могут стать ключём к пониманию физических ограничений эффектов заряда в одноэлектроной технологии в наноразмерных приборах. Оно может быть использовано в особых научных целях, таких как метрология или исследовательских приборах или для фундаментальной стандартизации тока, сопротивления и температуры.

6. Необходимость молекулярной электроники и предвидящиеся преимущества

Чтобы быть успешной, любая технология должна работать при комнатной температуре на атомном уровне. Она должна использовать самосовмещаемое производство. Межсоединения между приборами также должны быть обратимыми. Молекулярная электроника -- новая область, которая пытается использовать свойства молекул или групп молекул, в частности цепей полифенилена, углеродных нанотрубок, порфиринов, политиофенов и цепочек ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты) для выполнения логических или запоминающих функций в микроэлектронных схемах, которые сейчас реализованы с участием полупроводниковых приборов (35-39). Поскольку молекулы в 107 раз меньше транзисторов, они могут позволить существенную миниатюризацию, так что развитие литографии должно будет ориентироваться на преимущества, предоставляемые размерами молекул,чтобы обеспечивать пропорциональную вычислительную производительность на единицу площади. Более того, поскольку на большинстве производств стоимость транзистора падает, молекулярные приборы получают преимущества также от группового производства репликацией молекул в больших количествах с большим выходом годной продукции. Таким образом, во многообразии форм, молекулярная электроника может быть довольно благодатной областью.

Рис. 7 Простейшая наноячейка

7. Разница между основными способами применения молекул и молекулярной электроникой; возможные технологии и терминологические аналоги

Молекулярные материалы, в основном органического типа, долгое время использовались в элекронике и фотонике, например в жидкокристалических (ЖК) дисплеях, светодиодах, лазерах, транзисторах и сенсорах. Но в молекулярной электронике сами молекулы рассматриваются как активный электронный прибор, т. е. одномолекулярное выпрямление происходит через молекулярные орбитали одной D-у-А молекулы с помощью туннельного механизма сквозной связи (D -- донор электронов с низким потенциалом ионизации, А -- электронный акцептор с высоким электронным сродством, а у -- это ковалентный мостик).

Молекулы полифенилена могут работать в качестве проводников. Углеродные нанотрубки или же [bucky tubes] разных диаметров и хиральностей, показывают широкий спектр свойств от проводника до изолятора. Переход между двумя типами хиральных структур может работать как диодный переключатель. Полевой транзистор может быть сделан путём присоединения одностенных (однослойных) нанотрубок между двумя металлическими электродами. Эксперименты с ДНК показали различные результаты, начиная с диэлектрических, кончая проводящими свойствами в зависимости от последовательности белков в ДНК.

Внедрению молекулярной электроники способствуют технологии нанопроизводства вместе с технологиями атомарного сканирования, такими как сканирующая туннельная микроскопия (СТМ) и атомная силовая микроскопия (АСМ). СТМ и АСМ -- главные средства обнаружения, измерения и перемещения отдельных молекул. Основное требование в молекулярной электронике -- это расположение п присоединения молекулы между металлическими электродами. Одна из технологий использует спонтанную самоабсорбацию молекул между контактами, например, способность формировать самособирающиеся монослои (ССМ) олигомеров металлов.

Терминология твердотельной физики была модифицирована в молекулярной электронике следующим образом: Высшая и низшая занятые орбитали молекул занимают зону валентности и зону проводимости. Попросту, вместо легирования для модификации уровня Ферми, производятся изменения в электронном сродстве и ионизационном потенциале молекул в результате химической замены. Аналог модифицирования запрещённой зоны -- проектирование молекулярных орбиталей.

8. Схемы на наноячейках для функций логики и памяти

Наноячейка (40,41) -- это молекулярная электронная структура, содержащая случайный, самособирающийся массив молекул и проводящих наночастиц, которые соединены металлическими проводниками с контактами входа и выхода (Вх/Вых), требуемыми для программирования наноячейки в качестве логического затвора или прибора памяти после изготовления. Рис. 7 показывает простейшую наноячейку, содержащую две наночастицы, изображённые как кружки, и пять молекулярных переключателей, обозначенных светлыми и тёмными линиями: тёмными для ВКЛЮЧЕННОГО и светлыми для ВЫКЛЮЧЕННОГО состояний молекул, и двух соединений вход/выход, показанных как прямоугольники. Сразу после изготовления наноячейка проводит ток через свои межсоединения в нелинейном виде. Лишь после надлежащего программирования она проводит ток в нужном виде с требущимися функциями. Программирование совершается с помощью приложения импульсов напряжения в алгоритмически определённом порядке к соединениям ячейки, и таким образом молекула меняет своё состояние в соответствии с определёнными напряжением правилами переключения, конфигурируя ячейку для выполнения логической функции. Наноячейка использует самосборку молекул для помещения их в предворительно определённые области в требуемых плотностях, настраивая таким образом пути межсоединений. Главная идея наноячейки -- упростить изготовление ячейки и перенести сложные процессы на операцию программирования. Структурные единицы наноячеек обладают микронными размерами, а методы литографии могут использоваться для создания межсоединений.

Рис. 8 Тактированная шеститочечная квантовоточечная автоматическая ячейка

9. Тактированные автоматические молекулярные квантовоточечные ячейки

Другой известной конструкцией в молекулярной электронике являются тактированные автоматические молекулярные квантовоточечные ячейки (ККА) (42-45). Здесь не используются распространённые сегодня переключатели. Однако, двоичные числа удерживаются представлением информации в виде конфигурации электрического заряда среди квантовых точек ячейки. Приборы сделаны из ячеек, которые сами по себе сделаны из небольшого числа квантовых точек, определённых как области с локализованным зарядом. Рисунок 8 показывает тактированную шеститочечную ячейку ККА. Ячейка содержит два дополнительных мобильных электрона, которые имеют тенденцию к минимизации взаимного Кулоновского взаимодействия, занимая противоположные углы ячейки.Четыре точки, занимающие противоположные углы ячейки, определяют таким образом два энергетически эквивалентных вырожденных состояния поляризации ячейки, определяемых как двоичные «0» и «1». Для расчётов, ячейки помещены друг возле друга. Взаимодействие происходит между граничащими друг с другом ячейками через емкостное соединение. Возмущение находящихся по соседству ячеек любой ячейкой переводит эту ячейку в выстроенную конфигурацию, или 1, или 0, без тока, протекающего между ячейками. Точка посредине каждой ячейки используется для тактирования. Потенциал этой точки может быть переменным. Для высокого потенциала притяжения подвижные заряды, притянутые точкой посредине, порождают в ячейке состояние нуля, в котором не содержится информации. Когда потенциал средней точки высокий но отталкивающий, заряд в углах ячейки прыгает, создавая состояние 1 или 0. Тактированный контроль ячеек ККА снижает рассеяние мощности и обеспечивает набор мощности. Также, оно поддерживает конвейерную обработку расчётов. В молекулярной электронике роль квантовых точек играют центры окисления, уменьшающиеся добавлением электрона или окислением в результате потери электрона, без разрыва химических связей. Таким образом, ККА предлагает простоту двоичного представления и нанотехнологичные вычислительные способности для общих нужд.

Заключение

В этой статье проанализировано современное состояние и прогнозы для микроэлектронных приборов и схем в компьютерной индустрии. Появилось три различных направления развития: (I) Решить проблемы используемой сейчас КМДП технологии в области ниже 10 нм; (II) Повысить рабочую температуру одноэлектронных приборов до комнатной, т. е. решить проблему эффекта спонтанного заряда; (III) Радикально изменить современный образ мышления, представив компьютеры, сконструированные из молекулярных структур, таких, как ККА, безтранзисторную вычислительную технику, адрессующую межсоединения приборов. Появляется возможность отойти от слишком долго доминирующей логики переключателей тока, основанной на полевых транзисторах, создавая элементарные логические элементы из массива квантовых точек.

Среди этих трёх перспектив, КМДП технология обладает наивысшей проработанностью. Несомненно, она займёт место «приоритетного направления». Перспективы одноэлектронных приборов как передовой технологии малообещающи, но гибридная память на одноэлектронных/полевых транзисторах и комбинированная одноэлектронная/МДП транзисторная многозначная логика (33) может быть использована в качестве вспомогательной технологии для КМДП схем. Потенциал молекулярной электроники всё ещё не раскрыт в полной мере. Возможно, её влияние может быть более глубоким и эффективным для совершения революционных или более умеренных изменений.

Размещено на Allbest.ru