ИС (Үлкен интегралды сұлба, БИС) элементті базасының дамуы

Заманауи технология және кристалдағы жүйелердің өндірісі

Заманауи микроэлектроникадағы Мур заңы

ХХ ғасырдың 60-жылдары микроэлектроника теоретигі мен атақты менеджер Гордон Мур эмпирикалық ереже түріндегі микросұлбалар технологиясының дамуында «Мур заңы» деген атауды алған тенденцияны тұжырымдады. Осы ережеге сәйкес әр 2,5 жыл сайын микросұлбалар элементтерінің минималды өлшемі есеге азаяды, ал кристалдағы элементтер саны 2 есеге ұлғаяды. Міне, 40 жыл бойы «Мур заңы» тек азғантай ғана ауытқушылықтармен орындалуда. «Мур заңының» әрекеті молекулялық өлшеммен және жартылайөткізгіш құралдар физикасы мен технологиялары негізіндегі физикалық заңдармен шектелгені айқын. Алайда, осы уақытқа дейін жартылайөткізгіштік өнеркәсіп даму жоспарларын дайындау барысында «Мур заңына» бағдарланады. Жартылайөткізгіштік өнеркәсіптің бірінші келісілген жоспары АҚШ-та құрстырылды және 1990 жылдан 1999 жылға дейін 10 жыл бойы жұмыс істеді. Жоспар «жол картасы» - NTRS (National Technology Roadmap for Semiconductors) деген атауды алды. Келесі жоспар 2000 жылдан 2014 жылға дейін, енді 15 жыл мерзіміне дайындалды және ол халықаралық дәрежеде болды. Оның жүзеге асуына дамыған жартылайөткізгіштік өнеркәсібі бар барлық ел ат салысты. Жоспар дәстүрлі түрдегі «жол картасы» ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors) деп аталады. 2014 жылғы аралықтар элементтердің 14÷15 нм минималды өлшемдерінің жетістіктеріне сәйкес келеді.

«Жол картасы» бойынша элементтер өлшемін есеге азайтуды және элементтер санын 2 есеге көбейтуді қамтамасыз ететін микросұлбалар элементтерінің технологиялық жабдықтары, технологиялық үрдістері, физикалық құрылымдары жаңа өндірісті құру үшін жетілдіріледі. Технологиялық бағыттар (маршруттар) буын-буын бойынша жүйеленеді және бір буында бірегейленеді. «Жол картасы» әлемнің барлық технологтары мен конструкторларына жаңа буынның жабдықтар мен технологиялық бағыттарының жалғыз, толықтай үйлестірілген жинақтамасын құру үшін күш-жігерлерін шоғырландыруға мүмкіндік береді. Сонымен бірге, өңделген және игерілген өндірістік үрдістер бұдан былай қатты өзгере қоймайды. Мысалы, 0,6÷0,8 мкм минималды өлшеміне әзірленген және диаметрі 150 мм болатын пластиналарды пайдаланатын өндірістер 200 мм-лік пластинаға ауыспайды. 0,35-0,18 мкм өлшеммен жұмыс істейтін өндірістік салалар негізінен диаметрі 200 мм болатын пластиналарды пайдаланады. Пластина диаметрін таңдау пластиналар құнынан 2÷4 есе асатын олардың жартылайөткізгіштік өндірістегі өңделу құнымен анықталады. Жартылайөткізгіштік пластиналардың өлшемі ұлғайған сайын, олардың ауданына қарағанда құны жылдамырақ ұлғаяды. Сондықтан, өндірілетін микросұлбалардың минималды құнын қамтамасыз ететін пластиналардың оңтайлы өлшемі болады.

ИС (Үлкен интегралды сұлба, БИС) элементті базасының дамуы

Жиырма жыл бұрын микросұлбаларда тек биполярлы транзисторлар ғана пайдаланылды. Электрондық аппаратураның қуатқа шектелуі МОЖЖ (металдық-оксидтік-жартылайөткізгішті жинақтамалық құрылым, КМОП) жабдықтарының пайда болуына алып келді. Қазіргі кезде «электрондық аппаратураны миниатюризациясы мен жылдам әрекеті үшін тұрақты бәйгеде МОЖЖ-транзисторларды немен алмастыруға болады?» деген өзекті сұрақ тұр.

МОЖ-транзисторлар (МОП-транзисторлар) үшін бекітпе (затвор) ұзындығының физикалық шегі 10 нм аймағында жатыр, ал технологиялық шегі – 15 нм аймағында. Қазір өндірісте бекітпесінің ұзындығы 60 нм болатын микросұлбалар игеріліп жатыр. Элементтердің 60 нм-ден аз өлшемдерін электрондық-сәулелі литографияны пайдалану арқылы алады. Бұл өлшем оптикалық литографияның шегі болып саналады. Зертханалық жағдайларда МОЖ-транзисторлар мен олардың негізіндегі бекітпе ұзындығы 8 нм-ге дейін болатын құрылғылар алынды, яғни физикалық шектеулер шегіндегі микросұлбалар алынып қойған.

«Мур заңы» әрекетінен тыс кремниийлі электрониканы ауыстыру жайлы да көкейкесті сұрақ та тұр. Электрониканың технологиялық тұрғыда тәуелсіз бағыттар қатарына бөлінетіндігі анық. Қазірдің өзінде келесі бағыттар қалыптасу үстінде:

- микромеханиканы, оптоэлектрониканы, акустикоэлектрониканы, магнитоэлектрониканы және т.б. қосатын функционалдық электроника;

- құрылғыларды 2÷4 нм өлшемінде пайдалануға мүмкіндік беретін кеңаумақты (широкозонный) жартылайөткізгіштер негізіндегі дәстүрлі сұлбатехникалық электроника;

- атомдар арасындағы өзара кванттық әрекеттесушіліктер негізінде пайдаланылатын кванттық физика. Кванттық компьютердің прототипі құрылып қойған.