«Наука в Сибири» № 23 (2509) 10 июня 2005 г. ЗАКОНУ МУРА — 40 ЛЕТ Корпорация «Intel» провела с 17 по 20 мая X Академический форум-2005 в польском городе Гданьске. Форум был посвящен анализу состояния и путей развития архитектуры вычислительных систем и информационных сетей, а также (и это было новым событием) — анализу кремниевой технологии, являющейся основой элементной базы современной полупроводниковой электроники. А. Двуреченский, д.ф.-м.н., заместитель директора ИФП СО РАН Новое здание представительства корпорации «Intel» в Гданьске было открыто во время работы форума. Организатор — корпорация «Intel» — проводила форум по следующей схеме: на пленарных сессиях специалисты корпорации «Intel» читали обзорные доклады по отдельным проблемам, представляющим для них интерес, и формулировали перед академическим сообществом задачи, которые необходимо решить для обеспечения дальнейшего развития информационных технологий и полупроводниковой электроники. Академическое сообщество — это ученые, приглашенные из различных мировых научных центров. В форуме принимали участие представители практически всех европейских государств: США, Канады, Японии, Китая, Кореи, Индии. Из России участвовали в этом форуме ученые из Нижнего Новгорода (Институт физики микроструктур РАН и Нижегородский университет), Санкт-Петербурга (Физико-технический институт им. Иоффе РАН), Новосибирска (Институт физики полупроводников СО РАН). Другие россияне были представителями корпорации «Intel» (Москва и Нижний Новгород). Проблемы кремниевой технологии были включены в программу форума не случайно. В текущем году исполняется 40 лет закону Мура, согласно которому в течение последних сорока лет число приборов (полевых транзисторов) в интегральных схемах на единичный кристалл (чип) увеличивается экспоненциально со временем, удваиваясь, каждые 2-3 года. Характерный размер транзистора также уменьшается экспоненциально со временем. Движущей силой такого процесса является естественное требование увеличения быстродействия и объема памяти компьютерной техники. Однако процесс масштабирования не может продолжаться бесконечно. Принципиальным ограничением становятся свойства материалов. Уменьшение размеров и повышение плотности упаковки элементов в схемах вызывает значительный рост длины межсоединительных электрических проводников, что привело к необходимости решения проблемы замены алюминиевых проводников (использовавшихся в интегральных схемах более 40 лет) медными проводниками, имеющими более высокую проводимость. При такой замене были решены непростые проблемы предотвращения диффузии меди в кремниевые приборы. Ограничение частотных характеристик из-за емкости между проводниками электрической разводки (RC задержка) приводит к необходимости решения задачи синтеза диэлектриков с низкой диэлектрической проницаемостью. Но еще более серьезная проблема возникла для подзатворного диэлектрика в полевых транзисторах. Используемая (и необходимая) толщина подзатворного диэлектрика SiO2 в современных полевых транзисторах составляет около 2 нм. В результате ток затвора, вследствие прямого туннелирования носителей через диэлектрик, оказывается достаточно большим и рассеиваемая мощность в схеме возрастает до неприемлемых значений. Магистральное направление решения этой проблемы связано с заменой подзатворного SiO2 (диэлектрическая проницаемость 3.9) на диэлектрики с более высокой диэлектрической проницаемостью (5-30). К ним относятся, например, двуокись гафния, циркония. В СО РАН работы по синтезу диэлектриков с большими и малыми значениями диэлектрической проницаемости проводятся в Институте неорганической химии. На Академическом форуме такой путь развития полупроводниковой электроники отнесли к эволюционному развитию технологии КМОП — структура металл — окисел — полупроводник. Характерный размер (проектная норма), освоенный в настоящее время передовыми производственными полупроводниковыми корпорациями, составляет 65 нм. Проектная норма 45 нм прошла стадию разработки и готова для промышленного освоения. В разработке находится технология с проектной нормой 32 нм. Нижним пределом по проектной норме для эволюционного пути развития КМОП-технологии считается размер около 20 нм, достижение которого ожидается в 2012 году. В области меньших размеров 10-20 нм прогнозируется (в который раз) покушение на монополию кремния в полупроводниковой электронике и ожидается использование для КМОП-технологии таких материалов, как углеродные нанотрубки, соединения А3В5. Эту область размеров планируется освоить до 2017 года. Что касается области размеров, меньших 10 нм, то для нее специалисты корпорации «Intel» ставят перед академическим сообществом проблему создания принципиально новых приборов, основанных не на протекании в структуре тока (как в настоящее время для большинства приборов), а на эффектах межчастичного (межячеечного) взаимодействия: переориентация спинов (или полного магнитного момента), переориентация электрических диполей. Призывают также к выдвижению других нестандартных решений. Нижним пределом здесь считается размер 1.5 нм, ниже которого закон Мура перестанет действовать. Важнейшей составляющей современных как дорогостоящих устройств (компьютеры, принтеры, автомобили и т.д.), так и недорогих устройств массового сбыта (электронные, в том числе, банковские карточки, мобильные телефоны, плееры, игрушки, цифровые фотоаппараты, видеокамеры и т.д.), являются приборы памяти. Использование новых материалов позволяет принципиально продвигаться в решении проблемы создания новых приборов памяти, дающих выигрыш в габаритах, емкости и быстродействии. Электрически перепрограммируемые постоянные запоминающие устройства (ЭППЗУ) используются как энергонезависимые элементы памяти. Перспективным подходом в решении этой проблемы, обсуждавшейся на форуме, считается переход от сплошного плавающего затвора к дискретным фазовым включениям большой плотности (структуры с квантовыми точками). При этом предпочтение отдается технологиям, обеспечивающим формирование плотного массива квантовых точек в одной плоскости, параллельной подложке (в отличие от технологий, дающих распределение нанокластеров по объему диэлектрика). В СО РАН разработка методов формирования, исследования атомной и электронной конфигурации единичных квантовых точек и характеристик их массива проводится в Институте физики полупроводников. В настоящее время на рынке кремниевых приборов доминирует ЭППЗУ ФЛЭШ-память — особый вид перепрограммируемой, быстродействующей, энергонезависимой, полупроводниковой памяти. Этому виду памяти были посвящены на форуме специальные доклады. Энергонезависимая память означает — не требующая дополнительной энергии для хранения информации (энергия требуется только для перепрограммирования). Полупроводниковая (твердотельная) память означает, что устройство не содержит механически движущихся частей, и построена на основе интегральных микросхем. Перспективные приборы ФЛЭШ-памяти основаны на эффекте локализации электронов и дырок на ловушках в аморфном нитриде кремния Si3N4. Для обеспечения движения в область меньших размеров специалисты корпорации «Intel» считают необходимым решение задачи разработки приборов памяти на основе новых подходов: приборов памяти на фазовых переходах, на полимерных пленках с магнитными добавками (кластерами). Отказ от протекания тока в структуре здесь также является ключевым фактором. Тенденция к повышению быстродействия компьютерной техники порождает предложения по замене электрической разводки в виде металлических проводников световыми волноводами. Эта область, именуемая фотоникой, в схемном варианте включает излучатель, волноводы и модуляторы света, и фотоприемники. Поскольку кремний продолжает оставаться основным материалом полупроводниковой электроники, то необходимо, чтобы все перечисленные элементы фотоники могли быть изготовлены на кремнии. Сложной проблемой здесь является создание излучателя, поскольку кремний по энергетической структуре — непрямозонный материал и характеризуется низкой эффективностью излучения. Стремление в последние годы найти пути решения задачи создания лазера на основе кремния породили конкурентную мировую гонку в достижении поставленной цели, требующую проведения фундаментальных и прикладных исследований. В текущем году корпорация «Intel» сообщила о создании лазера на кремнии, обеспечивающего генерацию на длине волны 1,6 микрон при световой накачке. Этот успех можно считать только началом пути в решении поставленной задачи, поскольку в схемном варианте световая накачка интереса не представляет. Необходимы излучатели, управляемые электрическим напряжением. Изложенные проблемы и возможные пути развития кремниевой технологии были только частью программы форума. Специалисты других направлений обсуждали решения задач, связанных с архитектурой информационных сетей, а также вопросы производства и сбыта продукции, широко известной во всем мире. Фото автора стр. 7