Кремнийлі технологияның шектелуі

Физикалық шектеулер. Еркін электрон үшін өткізгіштік аймағындағы Де-Бройль толқынының ұзындығы 5 нм. SiO₂ бекітпе астындағы (подзатвор) диэлектрик қалыңдығы технологиялық себептермен де, диэлектрик арқылы туннельдік токтар себебінен де 1 нм-ден аз кем болуы мүмкін емес. Қазір технологиялық шектеу 2,0 нм деп бағаланады. Бекітпенің минималдық ұзындығы екі әсер бойынша анықталады: транзистордың күшеюімен және суағар-жайманың (сток-подложка) туннельдік тогымен. Легірленетін қоспаның жаймада жоғары шоғырлануы кезінде туннельдік ток каналдың тогымен салыстырмалы болады. Аз шоғырлануы кезінде – кеңістіктік заряд көзі мен суағар (сток) аумағы жабылып қалады, суағар-көзі (сток-исток) кернеуі көздің p-n ауысуын ашады және жайма арқылы кеңістіктік зарядпен шектелген (КЗШ: ОПЗ – ограниченный пространственным зарядом) ток ағады. Сонымен бірге транзисторды күшеюі түседі. Бекітпенің 10 нм ұзындығы және жайма-көзінің бөлектейтін ауысуының тікелей қозғалуы кезінде МОЖ-транзисторда күшейту ала аламыз. Іс жүзіндегі шектеу – 14÷18 нм.

Минималдық транзистор (10 нм х 10 нм)бекітпесінің сыйымдылығы небәрі 2·10^-18 Фарадты құрайды. 0,8 В жұмыстық кернеу мен 0,2 В шекті кернеу кезінде каналда 6-дан артық электрон бола алмайды.

Электрон заряды дискретті болғандықтан, транзистордағы ток дискретті және статистикалық түрде өзгереді. Заряд дискреттілігімен байланысты бытыраңқы шулардың жоғары деңгейі МОЖ транзистордың, құламалы ВАС (Вольт-амперлік сипаттама) пен бекітпе сыйымдылығын анықтайтын максималдық жылдамәрекеттілігін пайдалануға мүмкіндік бермейді.

Бекітпе астындағы жаймада легірленетін қоспаның статистикалық орналасуымен шектік кернеудің жаңғыртушылығы (воспроизводимость) да анықталады. Бекітпе астындағы КЗШ жаймадағы дәл сол минималдық транзистор үшін орта есеппен 5 легірленетін атомдар болады. Шекті кернеуді тарату қоректік кернеумен салыстырмалы болады.

Құралдардың өлшемдері мен токтарының азаюымен олардың ғарыш бөлшегіне және ҮИС (Үлкен интегралды сұлба: БИС) құлылысының материалдарындағы радиоактивті ыдырау өнімдеріне деген сезгіштігі артады. Іркілістен (сбой) сұлбалық және құрылыстық құралдармен құтылуға болмайды.

Құрылымдағы байланысты потенциалдар мастабталмайды, сондықтан қоректік кернеуді 0,5 В-тан төмендетуге болмайды.

Өткізгіштердегі сигналдардың таралу жылдамдығы жарық жылдамдығымен шектелген. Микросұлбалардың жіңішке өткізгіштерінде байланыс сызықтарын R-L-C парамаетрлерімен шектеу ол жылдамдықты бірнеше есеге азайтады.

Материалдардың шектелуі. Қалыңдығы ~1 нм болатын диэлектриктің аса жіңішке МОЖ құрылымы үшін бөлу шекарасындағы кеңістіктік күйдің төмен тығыздығын қамтамасыз ететін тек SiO₂ ғана қолданылу мүмкін. Қалыңдығы 1,5 және одан да көп нм болатын диэлектриктер үшін төменгі қабаты SiO₂ , ал үстіңгі қабаты Si₃N₄, Al₂O₃ немесе т.б. жоғары диэлектриктік өткізгішке ие диэлектрик болатын қосқабатты құрылымдарды қолданылу мүмкін. Диэлектриктік өтімділігі 1500-ге дейін болатын перовскит (SrTiO₃ стронций титанаты) түріндегі диэлектриктерді қолдану қарастырылып жатыр.

Минималды өлшемді (~10нм) транзисторлар үшін жайманы легірлеудің статистикалық тұрғыда бірыңғай пішінін (профиль) құру мүмкін емес, алайда, температураны 77К-ге дейін төмендете отырып (сұйық азот) және легірлеудің кертартпа пішінін пайдалана отырып кеңістіктік зарядтармен шектелген токтарды азайтуға болады. Көз бен ағу байланыстарын құру үшін ерігіштік шектен жоғары кремнийді легірлеудің тепе-тең емес деңгейін құруға мүмкінді беретін жаңа үрдістер қажет болады.

Пропорционалды масштабтау трназисторлардың ғана емес, сондай-ақ өткізгіштердің де өлшемінің азайтуын талап етеді. Металдың үлесті кедергісі электрондардың ақау тығыздығы мен температураға тәуелді еркін қашықтығанаң ұзындығымен анықталады. Жұқа металл қабықшалар үшін кедергі тек щекаралармен ғана анықталады. Шекте барлық металл қабықшалар қалыңды,ымен ғана анықталатын бірдей кедергігіе ие болады. Қабықшада сондай-ақ кристалдану да бақыланады. Егер қабықша қалыңдығы кристалл өлшемінен аз болса, онда қабықша аралшықтарға бөлінеді және оның кедергісі шексіздікке ұмтылады. Мыс қабықша үшін қабықша аралшықтарға ажыратылатын шектік қалыңдық 30 нм. Қабықшаның шектік қалыңдығын ерітпе қоспалар (мысалы, Cu + Zn) мен TaNx – (Cu + Zn) –TaNx көпқабатты құрылымдарды пайдалана отырып азайтуға болады.

Минималды литографиялық өлшемдер оптикалық материалдардың қасиеттерімен шектелген. F₂-дағы сәулену толқын ұзындығы 157 нм болатын ең қысқатолқынды лазер үшін CaF₂ негізіндегі оптика пайдаланылады, қазір үлкен енді тыйым салынған аймағы бар оптикалық материалдар белгісіз. 157нм-ді сәулелендіру үшін суреттің ең аз шамасы – 60÷70 нм.

Электронды литографияны пайдалан отырып элементтердің 60 нм- ден кем өлшемдерін алу барысында енді бейорганикалық электрондық-резисттер талап етіледі. Резисттердегі органикалық молекулалардың өлшемдері ондаған нанометрді құрайды және бір молекуладан аз өлшемді алу мүмкін емес. Белгілі бейорганикалық резисттердің сезгіштігі органикалыққа қарағанда айтарлықтай аз. Қазірше жоғарыөнімділікті электронды-сәулелік жабдықтар жоқ, ал оны жасау үшін белгілі бір уақыт қажет. Сондықтан, «Мур заңы» 60 нм айналасында бұзылуы мүмкін.