05.12.11

Трехмерные транзисторы: новые технологии изготовления микрочипов

Исследователи университетов Purdue и Harward разработали новый тип транзисторов из материалов, способных не только заменить кремний как основу микропроцессорной техники, но и привести к созданию трехмерной структуры транзистора вместо современной планарной структуры микрочипов. Новый подход к конструированию элементарной ячейки микросхем позволит изготавливать более миниатюрные и экономичные чипы. Это уже в свою очередь приведет к появлению значительно более компактных и легких ноутбуков, способных работать от батарей заметное дольше, чем сегодня. Технология подразумевает применение нанопроводников не из кремния, а из трехкомпонентного материала (твердого расплава) индий-галлий-мышьяк.

Самое важное на данный момент, что технологический процесс изготовления новых транзисторов совместим с привычными планарными технологиями изготовления интегральных микросхем. То есть, производители чипов могут относительно безболезненно внедрить новый для себя техпроцесс.

Уже в 2012 году кремниевые микрочипы для персональных компьютеров будут иметь в своей конструкции транзисторы с вертикальной структурой, вместо полностью планарными сегодняшними транзисторами. Однако, долгосрочное развитие в сторону вертикальной ориентации транзисторов осложняется фундаментальными ограничениями кремния, а именно, относительно низкой подвижностью носителей заряда (электронов). Поэтому инженерам необходимо найти другие материалы, способные заменить кремний в электронике.

Состав индий-галлий-мышьяк как раз относится к числу потенциальных преемников кремнию, более того, исследованию его свойств и возможным применениям в электронике заняты многочисленные лабораторные исследования по всему миру. Этот полупроводник принадлежит к классу материалов A3B5, так как содержит в себе элементы третьей и пятой групп периодической таблицы. По словам исследователей, множество команд ученых и инженеров, сотрудников как ведущих мировых учебных заведений, так и сотрудников непосредственно компаний-производителей интегральных микросхем, уделяют материалам A3B5 особое внимание как потенциальным заменителям кремния. Сотрудники университетов Пердью и Гарварда смогли создать трехмерный транзистор с круговым затвором, и именно на основе индий-галлий-мышьяка с высокой подвижностью носителей заряда.

Трехмерная структура транзистора в случае 22-нм интегральных микросхем не просто прихоть — она необходима, так как затвор «двухмерного» транзистора становится слишком мал, чтобы эффективно им управлять. То есть, как только мы снижаем размер затвора до 22 нанометров и ниже, необходимо существенно усложнять конструкцию транзистора. В этом случае идеальным становится круговой/цилиндрический затвор, внутри которого и находится канал транзистора. Такой подход позволяет при использовании кремния уменьшать топологические нормы интегральной микросхемы до 14 нанометров. А вот дальше уже кремний перестает работать, и необходимо искать альтернативные материалы, например, уже упомянутые полупроводники A3B5.

Нанопроводники, изготовленные из индий-галлий-мышьяка, будут применяться в 10-нм интегральных микросхемах. Последние исследования показали, что этот материал обладает в пять раз более высокой подвижностью носителей заряда, чем кремний. То есть, канал транзистора будет формироваться именно на основе индий-галлий-мышьяка. Но этого мало. Для 10-нм и более прецизионных техпроцессов необходимо применение и нового диэлектрического материала, необходимого для «выключения» транзистора. Сегодня общепринятым в микроэлектронике диэлектриком является диоксид кремния, но в случае 14-нм технологии утечки будут слишком велики, чтобы говорить о «запирании» транзистора.

Какие варианты исследователи рассматривают для замены оксида кремния материалы с более высокой диэлектрической проницаемостью, такие как диоксид гафния или диоксид алюминия. Но если технология получения оксида кремния очень хорошо отработана и отлично совместима с кремниевой электроникой, то для формирования пленок гафния или алюминия нужно применять не совсем стандартные методы. Например, пробовать процессы атомно-слоевого осаждения. На данный момент эта технология хорошо знакома для разработчиков, создано множество установок для ее проведения. Это все позволяет инженерам получать транзисторы с очень тонкими диэлектрическими и металлическими слоями при формирования затвора. Такие транзисторы должны обладать отличными характеристиками — высокой производительностью при невысоком энергопотреблении, благодаря тому, что снижается напряжение на затворе и повышается скорость движения носителей заряда. Как результат — интегральные микросхемы с характеристиками, радикально отличающимися от современных аналогов.