МЮРРЭЙ ХИЛЛ, Нью-Джерси - Основа полупроводниковой революции - кремниевая транзисторная технология - может не иссякнуть еще примерно дюжину лет, тогда как предыдущая оценка составляла менее шести лет, сообщают исследователи из Lucent. Bell Labs от Technologies в выпуске журнала Nature от 24 июня.
В последние годы полупроводниковая промышленность считала, что ограничивающим фактором для производства все более компактных транзисторов на основе кремния будет важный изолирующий слой. Изготовленный из диоксида кремния изолирующий слой на современных чипах обычно имеет толщину 25 атомов, но исследователи из Bell Labs создали слой толщиной в пять атомов, самый тонкий из когда-либо созданных. Они также показали, что слой из четырех атомов является фундаментальным физическим пределом для изоляторов на основе диоксида кремния.
Результаты исследований показывают, что альтернативный изоляционный материал должен быть найден до 2012 года. Или, если альтернативные изоляционные материалы не будут найдены, потребуются совершенно новые полупроводниковые технологии.
«Расширение основных физических ограничений диоксида кремния дает полупроводниковой промышленности больше времени для разработки альтернативных изолирующих слоев», - сказал исследователь Bell Labs Дэвид Мюллер, который использовал самую сложную технику электронной микроскопии, доступную на сегодняшний день, для подтверждения результатов измерения толщины..
Изолирующий слой, известный как оксид затвора, является самой маленькой особенностью устройства. Он находится между электродом затвора транзистора, который включает и выключает протекание тока, и каналом, по которому протекает этот ток. Оксид затвора действует как изолятор, защищая канал от электрода затвора, тем самым предотвращая короткое замыкание.
Постоянно уменьшая толщину оксида затвора и длину электрода затвора, полупроводниковая промышленность удваивала скорость переключения транзистора каждые 18-24 месяца, следуя так называемому закону Мура.
«Исследования Bell Labs в области ультратонких оксидов под затвором обеспечивают технологические достижения, которые мы применяем к новым поколениям коммуникационных ИС», - сказал Марк Пинто, главный технический директор Lucent's Microelectronics Group. «Эти усовершенствования позволят нам предоставлять возможности системы на кристалле с большей производительностью и меньшим энергопотреблением для таких ресурсоемких приложений, как беспроводные системы третьего поколения».
Для производства сверхтонкого затворного оксида необходимо было «вырастить» атомарные слои, которые были бы абсолютно однородными и гладкими. Это потому, что верхний и нижний слои примыкали к самому кремнию, а между ними оставалось только три слоя. Все три средних слоя должны были быть полностью неповрежденными, чтобы предотвратить утечку электронов через оксид затвора, что могло бы привести к короткому замыканию.
Решая проблему оксида затвора, исследователь Грег Тимп и его коллеги из Bell Labs сначала очистили кремний, а затем использовали нетрадиционный процесс добавления кислорода к кремнию для выращивания диоксида кремния. Они использовали процесс, известный как быстрое термическое окисление, при котором кремний подвергается воздействию 1000 градусов Цельсия в течение 10 секунд.
Для изучения полученного оксида затвора, который позже был включен в работающий транзистор, Мюллер использовал сканирующий просвечивающий электронный микроскоп. Этот аналитический метод определяет отдельные атомы, исследует, как они связываются друг с другом, а также определяет их электрические свойства, которые указывают на изолирующие характеристики.
Поскольку выводы Bell Labs основаны только на результатах исследований, перед использованием этих ультратонких литниковых оксидов в производственных условиях необходимо изучить вопросы надежности и выхода.
Среди других исследователей Bell Labs, работающих над проектом, были Томас Сорш, Стивен Моччио, Фридер Бауманн и Кеннет Эванс-Латтеродт. Часть микроскопических исследований была проведена в Центре исследования материалов Корнельского университета.