Микроминиатюризация и приборы наноэлектроники

Микроминиатюризация Микроминиатюризация и приборы и приборы

наноэлектроники..наноэлектроники..

Гудкина А.А.Льдинина О.С.Голованова А.С.21302

Микроминиатюризация МДП – приборовМикроминиатюризация МДП – приборов

Полевые приборы со структурой металл - диэлектрик - Полевые приборы со структурой металл - диэлектрик - полупроводник в силу универсальности характеристик полупроводник в силу универсальности характеристик нашли широкое применение в интегральных схемах (ИС). нашли широкое применение в интегральных схемах (ИС). Одна из основных задач микроэлектроники заключается в Одна из основных задач микроэлектроники заключается в повышении степени интеграции и быстродействия повышении степени интеграции и быстродействия интегральных схем. Для ИС на МДП-приборах благодаря интегральных схем. Для ИС на МДП-приборах благодаря чрезвычайно гибкой технологии их изготовления эта задача чрезвычайно гибкой технологии их изготовления эта задача решается несколькими путями. В основе одного из решается несколькими путями. В основе одного из подходов лежит принцип двойной диффузии. Эта подходов лежит принцип двойной диффузии. Эта технология получила название К-МОП технологии, когда технология получила название К-МОП технологии, когда структура имеет планарный характер, и V-МОП технологии, структура имеет планарный характер, и V-МОП технологии, когда структура транзистора имеет вертикальный характер. когда структура транзистора имеет вертикальный характер. Другой подход связан с пропорциональной Другой подход связан с пропорциональной микроминиатюризацией обычного планарного МДП-микроминиатюризацией обычного планарного МДП-транзистора и получил название высококачественной, или транзистора и получил название высококачественной, или

Н-МОП, технологии.Н-МОП, технологии.

МДП - структураМДП - структура

Эволюция базовых элементов кремниевых интегральных схем

Длина канала Длина канала L, L, мкммкм 66 66 3,53,5 22 NN-1-1

Поперечная диффузия Поперечная диффузия LLDD, мкм, мкм 1,41,4 1,41,4 0,60,6 0,40,4 NN-1-1

Глубина Глубина p-n p-n переходовпереходов x, x, мкммкм 2,02,0 2,02,0 0,80,8 0,80,8 NN-1-1

Толщина затворного окисла Толщина затворного окисла ddoxox, ,

мкммкм0,120,12 0,120,12 0,070,07 0,040,04 NN-1-1

Напряжение питания Напряжение питания VVпитпит, В, В 4-154-15 4-84-8 3-73-7 2-42-4 NN-1-1

Минимальная задержка вентиля Минимальная задержка вентиля ττ, нс, нс

12-1512-15 44 11 0,50,5 NN-1-1

Мощность на вентиль Мощность на вентиль P, P, мВтмВт 1,51,5 11 11 0,40,4 NN-2-2

Произведение быстродействия Произведение быстродействия на мощность, пДжна мощность, пДж

1818 44 11 0,20,2 NN-3-3

Эволюция размеров и микроминиатюризация параметров МДП-приборов

Параметр прибора

n-МОП с обогащен-ной нагрузкой1972

n-МОП с обеднен-ной нагрузкой1976

Высоко-качест-венный МОП1979

МОП

1980

Коэффи-циент изменения

40044004 19711971 2 2502 250 10 мкм10 мкм 108 kHz108 kHz

80088008 19721972 2 5002 500 10 мкм10 мкм 200 200 kHzkHz

80808080 19741974 5 0005 000 6 мкм6 мкм 22 MHzMHz

80868086 19781978 29 00029 000 3 мкм3 мкм 5-10 MHz5-10 MHz

286286 19821982 120 000120 000 1,5 мкм1,5 мкм 6-12,5 MHz6-12,5 MHz

386386 19851985 275 000275 000 1,5-1 мкм1,5-1 мкм 16-33 MHz16-33 MHz

486486DXDX 19891989 1 180 0001 180 000 1-0,6 мкм1-0,6 мкм 25-25-100100 MHz MHz

PentiumPentium 19931993 3 100 0003 100 000 0,8-0,35 мкм0,8-0,35 мкм 60-200 MHz60-200 MHz

Pentium IIPentium II 19971997 7 500 0007 500 000 0,35-0,25 мкм0,35-0,25 мкм 233-450 MHz233-450 MHz

Pentium IIIPentium III 19991999 24 000 00024 000 000 0,25-0,13 мкм0,25-0,13 мкм 450-1300 MHz450-1300 MHz

Pentium 4Pentium 4 20002000 42 000 00042 000 000 0,18-0,13 мкм0,18-0,13 мкм >1400 MHz>1400 MHz

Микроминиатюризация процессоров IntelМодель Год выпускаТранзисторы Тактовая частотаТех.процесс

Динамическое уменьшение размеров транзистора при пропорциональной микроминиатюризации

1970 1980 1990 2000 2010 2020

0,01

0,1

1

10

Длинаканала,мкм

Уменьшение длины канала

19931993 0,500,50 0,500,50

19951995 0,350,35 0,350,35

19971997 0,250,25 0,200,20

19991999 0,180,18 0,130,13

20012001 0,130,13 0,070,07

20032003 0,100,10 0,050,05

20052005 0,070,07 0,030,03

Год Тех.процессДлина затвора

Микроминиатюризация процессоров Intel

Физические явления, ограничивающие миниатюризацию

С тенденцией уменьшения геометрических размеров каждого элемента в схемах проявляется тенденция к увеличению числа элементов в схеме.

Проблемы, связанные с физическими ограничениями микроминиатюризации, требуют рассмотрения основных физических явлений, которые запрещают дальнейшее уменьшение линейных геометрических размеров транзисторов, напряжений и токов транзистора, ограничивают его быстродействие и плотность упаковки.

Физические ограничения микроминиатюризации

Предельно допустмые значения параметров и основные физические ограничения

Минимальная величина одного элемента, 0,03 нм

Статистические флуктуации легирования подложки, разрешение фоторезиста, космические лучи и радиоактивность, конечная ширина p-n перехода

Толщина подзатворного диэлектрика, 2,3 нм

Туннельные токи через диэлектрик

Минимальное напряжение питания 0,025 В

Тепловой потенциал kT/q

Минимальная плотность тока, 10-6 А/см2

Дискретность заряда электрона, флуктуации встроенного заряда

Минимальная мощность, 10-12 Вт/элемент при f=1 кГц

Шумы, тепловая энергия, диэлектрическая постоянная

Предельное быстродействие, 0,03 нс

Скорость света

Параметр Физическое ограничение

Параметр Физическое ограничение

Максимальное напряжение питания

Пробой подзатворного диэлектрика, смыкания областей истока и стока

Максимальное легирование подложки

Туннельный пробой p-n перехода стока

Максимальная плотность тока

Электромиграция, падения напряжения на паразитных сопротивлениях контактов

Максимальная мощность

Теплопроводность подложки и компонентов схемы

Количество элементов на кристалл, 109

Совокупность всех ранее перечисленных ограничений

Физические ограничения микроминиатюризации

Минимальную длину канала ограничивает эффект, связанный со смыканием областей истока и стока при приложении напряжения к стоку VDS. Поскольку ширина lоб p-n перехода, смещенного в обратном направлении, равна

то минимальная длина канала должна быть больше удвоенной ширины p-n перехода Lmin > 2lоб и быть прямо пропорциональна корню квадратному от напряжения питания и обратно пропорциональна корню квадратному от уровня легирования подложки.

Минимальная длина канала L, определяемая физическими ограничениями в зависимости от напряжения питания, толщины окисла и уровня

легирования.

На рисунке приведена зависимость Lmin от концентрации легирующей примеси NA, толщины окисла dox и напряжения питания Vпит. Отсюда видно, что при толщине окисла dox = 100 A и концентрации акцепторов NA = 1017 см-3 возможно создание МОП-транзистора с длиной канала L = 0,4 мкм при напряжении питания 1-2 В. Дальнейшее увеличение легирующей концентрации в подложке может привести к туннельному пробою p+-n+ перехода.

Зависимость напряжения пробоя p-n+ перехода стока от концентрации легирующей примеси в

подложке NA

Минимальную толщину подзатворного диэлектрика ограничивает сквозной ток через диэлектрик затвора. Считая ток туннельным и используя для тока выражение Фаулера - Нордгейма для туннелирования через треугольный потенциальный барьер, получаем, что для толщины dox > 50 A плотность тока пренебрежимо мала. Предельное быстродействие определяется временем пролета носителей через канал при длине канала L = 1 мкм, скорости дрейфа, равной скорости света, и составляет τ = 0,03 нс. Очевидно, что минимальное напряжение питания не может быть менее kT/q из-за флуктуаций тепловой энергии.

Квантовый компьютер: основные направления

• Использование для модельной реализации квантовых компьютеров в качестве кубитов уровней энергии ионов, захваченных ионными ловушками, создаваемыми в вакууме определенной конфигурацией электрического поля в условиях лазерного охлаждения их до микрокельвиновых температур.

• Использование в качестве кубитов атомов с ядерными спинами с I = 1/2, принадлежащих молекулам органических жидкостей с косвенным скалярным взаимодействием между ними и методов ядерного магнитного резонанса (ЯМР) для управления кубитами.

• Использование в качестве кубитов зарядовых состояний куперовских пар в квантовых точках, связанных переходами Джозефсона, предложенное Д.В.Авериным в 1998 году

• твердотельные ЯМР квантовые компьютеры• использование в качестве состояний кубитов двух спиновых или двух

зарядовых электронных состояний в полупроводниковых наноструктурах, в частности в квантовых точках, формируемых в гетероструктурах типа AlGaAs/GaAs

Полупроводниковые квантовые компьютеры на основе ядерного магнитного резонанса

1998г австралийский физик Б.Кейн: использование в качестве кубитов обладающие ядерным спином 1/2 донорные атомы с изотопами 31P, которые

имплантируются в кремниевую структуру

Схематическое изображение двух ячеек полупроводниковой структуры модели Кейна,

lA ~ 10 нм, l ~ 20 нм, c ~ 20 нм.

Измерение переноса заряда с одного донора на другой происходит с помощью высокочувствительных одноэлектронных методов. Наиболее подходящее устройство – одноэлектронный транзистор.

В отсутствие напряжения электроны локализованы вблизи донора.Значение напряжения, при котором происходит переход одного из электронов к поверхности, зависит от того, в каком состоянии они находились вблизи донора.

Полупроводниковые квантовые компьютеры на квантовых точках

Квантовая точка – изолированный нанообъект, фрагмент проводника или полупроводника, ограниченный по всем трём пространственным измерениям и содержащий электроны проводимости. Является аналогом атома и может иметь поляризацию.

Японский ученый T.Tanamoto из Toshiba Corp. предложил разместить квантовый компьютер из сдвоенных квантовых точек в подзатворном диэлектрическом слое SiO2, расположенном над проводящим каналом кремниевого полевого транзистора (MOSFET)

Первый квантовый компьютер

Февраль 2007г. Канадская компания D-Wave заявила о создании образца квантового компьютера, состоящего из 16 кубит (устройство получило название Orion) Ноябрь 2009г. Физикам из Национального института стандартов и технологий в США удалось собрать простейший программируемый квантовый компьютер. Машина ученых работает с двумя кубитами. Ученые заставляли кубиты работать, используя лазерные импульсы в ультрафиолетовом диапазоне.

Leda, 28-кубитовый чип D-Wave

Квантовый процессор D-Wave зафиксирован в нижней части блока фильтрации и заморозки; вся структура погружается в жидкий гелий, охлаждённый до 3 кельвинов, а затем блок охлаждения снижает температуру чипа до 10 милликельвинов.