При переходе к наномасштабам (как в случае описанного сокращения длины затвора) инженеры и технологи вынуждены одновременно решать противоречивые задачи сохранения качества и функциональности материалов, что ставит перед ними сложнейшие производственные проблемы. В частности, в полупроводниковой технике инженерам приходится все чаще уходить от привычной, ставшей классической планарной компоновки устройств и создавать необычные, «объемные» полевые МОП-транзисторы. При этом они не только меняют схемы устройств, но и начинают применять новые, необычные для полупроводниковой техники материалы (кремниевые структуры с предварительными механическими напряжениями, сплавы кремния и германия или даже полупроводниковые соединения, которые раньше были лишь предметом лабораторных исследований). Другими словами, инженерам приходится искать альтернативы кремниевым кристаллам и структурам, которые использовались десятилетиями.
Как упоминалось чуть выше, одним из решений проблемы сокращения длины затвора является использование не планарных, а объемных, трехмерных полупроводниковых структур, которые в результате приобретают все более необычные и непривычные для технологов формы. Например, достаточно давно применяются технологии с так называемым утопленным оксидным слоем (buried layer), изолирующим полупроводниковое устройство от кремниевой подложки, двойными затворами или «окутывающими» затворами, окружающими канал сверху и со сторон. Сами каналы при таких технологиях все чаще приобретают вид нанопроволочных соединений. В качестве типичного примера на рис. 15.3 показана структура одного из самых современных устройств такого типа, полевого транзистора FinFET, в названии которого Fin относится к сложной форме затвора (fin-shaped gate). Структура является трехмерной, а канал в ней напоминает одномерную нанопроволоку сверхминиатюрных размеров. Такая одномерная структура канала может оказаться очень важной при выработке будущих технологий, поскольку канал построен на основе самосборки одномерных проводников (речь в данном случае идет об углеродных трубках).
Рис. 15.3. Полупроводниковое устройство с неклассической структурой. Слева представлена схема полевого транзистора FinFET, а справа – полученная на сканирующем электронном микроскопе микрофотография общего строения этого устройства. На снимке отчетливо заметны возможные отводы и места присоединения. Перепечатывается с разрешения Intel Corporation; © Intel Corporation
Помимо проблем с материалами и их обработкой, существуют и более серьезные ограничения на сокращение размеров полупроводниковых устройств, связанные с фундаментальными законами природы, то есть с тем, что на этих расстояниях начинают проявляться квантовые закономерности строения вещества. Например, известно, что на столь малых расстояниях носители заряда – электроны ведут себя подобно волнам и описываются соответствующими уравнениями. При этом возникают новые физические эффекты, такие как квантование (дискретизация) некоторых параметров движения, интерференция волн, туннелирование частиц через энергетические барьеры и т. д. Наличие таких явлений, с одной стороны, нарушает нормальную работу полупроводниковых устройств, но с другой – позволяет создавать при малых размерах устройства совершенно нового типа.
Еще оно важное ограничение связано с дискретностью электрического заряда. Очень небольшие по размеру структуры не могут рассматриваться в качестве некоторой непрерывной электропроводящей среды. При очень малой силе передаваемых зарядов возникают так называемые эффекты дискретности заряда, в результате чего даже отдельный электрон, проникающий по какому-то механизму (например, вследствие туннелирования) из одной области проводника в другую, может приводить к значительному колебанию (флуктуациям) напряжения. Физический механизм такой сверхчувствительности легко объясняется тем, что электрическая емкость С любой системы (определяемая, вообще говоря, через коэффициент пропорциональности между зарядом и напряжением посредством формулы ΔQ = C ΔV) связана с геометрией и меняется скачками при переходе к очень малым размерам. Поэтому при достаточно малых значениях С (~10–17 Ф и меньше) изменение напряжения заряда ΔV, связанное с перемещением одного-единственного электрона (ΔQ = 1,6 х 10–19 Кл), может оказаться больше, чем так называемое термонапряжение полупроводника, составляющее при комнатной температуре 25 мкВ.
