Сказанное объясняет, почему именно этот параметр размеров основного устройства многие авторы считают ключевым и используют для оценки качества полупроводниковых устройств. Собственно говоря, началом зарождения реальных нанотехнологий следует считать момент, когда расстояние между истоком и стоком коммерчески выпускаемых транзисторов стало меньше 100 нм и инженеры действительно начали измерять размеры производимых изделий в нанометрах. На рис. 15.2 представлены полученные на сканирующем электронном микроскопе микрофотографии стандартных полевых ΜОΠ-транзисторов, выпускаемых фирмой Intel. Сегодня фирма относит свои изделия к так называемому поколению «меньше 65 нанометров», а в лабораториях уже создаются образцы с размерами около 15 нм (разумеется, методы их изготовления и формально, и практически относятся именно к нанотехнологиям).
Рис. 15.2. Последовательное уменьшение размеров полевых МОП-транзисторов, выпускаемых и разрабатываемых фирмой Intel. Перепечатывается с разрешения Intel Corporation; © Intel Corporation
Основная и исключительно важная проблема (как с научной, так и с производстввенной точки зрения) заключается в том, что в изделиях с такими характерными размерами начинают проявляться совершенно новые, квантово-механические особенности и эффекты, приводящие к серьезнейшим изменениям свойств самого вещества. Прежде всего, отметим, что канал транзистора длиной около 15 нм состоит всего из нескольких атомов кремния, вследствие чего понятно, что дальнейшее уменьшение размеров такой структуры невозможно. Это означает, что используемая сейчас полупроводниковая технология достигла физических пределов применимости закона Мура, то есть дальнейшая миниатюризация полевых МОП-транзисторов невозможна.
Реальная ситуация для организаторов производства выглядит достаточно сложной. В частности, уже при размерах устройств около 25 нм, как предсказывали еще авторы документа, известного под названием «Международного путеводителя по полупроводниковым технологиям» (International Technology Roadmap of Semiconductors, ITRS[100]), длина затвора или толщина слоя диоксида кремния, отделяющая металл от затвора, должна составлять около 1 нм. Длина затвора определяется физическими требованиями возможности контроля сигнала и т. д., но проблема заключается в том, что при этой толщине (составляющей, как отмечалось чуть выше, несколько атомных размеров) чистота материала диэлектрика должна быть исключительно высокой. На расстояниях около 1 нм любые утечки становятся неприемлемыми, как из-за нарушений точности работы самого устройства, так и надежности его работы. Другими словами, производственники должны применять новые диэлектрические материалы с гораздо более высокими показателями.
Следующим фактором, препятствующим дальнейшему уменьшению размеров устройств в соответствии с законом Мура, выступает тот простой факт, что если размеры используемых устройств действительно сводятся лишь к нескольким атомам, то требования к чистоте исходных материалов становятся исключительно высокими. Например, каждый специалист в полупроводниковой технике прекрасно знает о процессах допирования (легирования), когда в кристалл кремния или другого материала случайным образом вводится ничтожное количество атомов другого вещества, изменяющих вольт-амперные характеристики вещества. В достаточно крупных устройствах влияние таких атомов усредняется и создает требуемые значения параметров, однако понятно, что в очень небольших структурах, содержащих лишь несколько атомов, любой «неправильно» помещенный атом примеси может нарушить весь механизм работы полупроводниковой системы. Другими словами, переход к нанотехнологическим, атомарным структурам требует применения материалов с исключительно высокой, атомарной чистотой.
Столь же высокие требования нанотехнологии предъявляют и к точности любых побочных методик (в частности, к точности изготовления соединений, формируемых разнообразными литографическими приемами). Мы вновь сталкиваемся с проблемой случайных флуктуаций или разброса параметров изготовляемых устройств, так как при переходе к атомарным структурам такие флуктуации могут выходить за рамки технологических требований. Ситуация осложняется и тем, что позднее такие устройства должны объединяться в более крупные системы, и тогда проектировщик сталкивается с очень непростой задачей «стойкости» системы в целом к случайным сбоям отдельных элементов.
