Nanoelektronika – část 2

Tvorba struktur pro nanoelektroniku

Výrobní proces (nejenom) nanostruktur může být realizován v principu dvěma cestami:

a) směrem zdola nahoru (skládání, angl. Bottom-Up processing, data-driven), je přirozenou cestou „růstu věcí”, je to „skládání” atomů a molekul do požadované struktury (existující příklady: krystalizace, CVE, MBE). Toto je „pravá” metoda a vize nanotechnologií: cílené a přesné ovládání jednotlivých atomů a molekul tak, aby vznikl nějaký objekt. V současné době je tato metoda použitelná v chemii a v biologii jako cesta skládání objektů z molekul. V technických vědách ještě zbývá hodně práce, než se podaří vytvořit technický objekt manipulací s atomy a molekulami. Nicméně jsou první nadějné výsledky, v podstatě s nástroji založenými na mikroskopu atomárních sil (ATM).

 

b) směrem shora dolů (miniaturizace, angl. Top-Down processing, goal-driven, expectation-driven), toto je cesta typická pro makro- a mikrotechnologické procesy, je to „opracování” makromateriálu (příklady: nanomletí, válcování, řezání, elektrostatické zvlákňování, leptání). Výroba miniaturních součástek je obvykle založena na „extrapolaci” metod užívaných pro „větší” součástky. Metody používají litografii a leptání a další procesy, které jsou postupným vývojem (založeným na rozsáhlém a nákladném výzkumu) zdokonalovány a posouvají se detaily do menších a menších rozměrů. V této chvíli musíme konstatovat, že rozhodující část nanoelektronických struktur vznikla touto klasickou metodou, škálováním struktur CMOS.

Poznamenejme, že za struktury pro nanoelektroniku považujeme takové, které mají alespoň jeden rozměr přibližně v intervalu 1 až 100 nm a při realizaci zdola nahoru umožňují a) přímé ovlivňování fyzikálních a chemických vlastností struktur molekulárních rozměrů a b) mohou být kombinovány tak, aby vytvářely větší struktury (zejména ovlivňováním samovolného růstu).

Aktuální výzkum současných polovodičových nanostruktur se týká a) vlastních tranzistorových struktur a jejich poměrného zmenšování (škálování), rozhodující jsou především měděné spoje, nová dielektrika s větší (high-k) a menší (low-k) dielektrickou konstantou, technologie SOI (Silicon On Insulator), technologie předpjatého křemíku (Strained Silicon, napnutý křemík), kovové hradlo (Metal Gate), tranzistory s více hradly (Multi-Gate transistors), b) výzkumu a návrhu nových struktur (jiných než škálované struktury CMOS).

Aktuální výzkum současných polovodičových nanotechnologií se týká vývoje technologických procesů a příslušných technologických zařízení, především vývoje v oblasti fotolitografie (kde rezisty představují hlavní slabinu současné nanoelektroniky).

Další výzkumné a vývojové práce se týkají (počítačového) návrhu integrovaných obvodů, jejich verifikace a testování a dále ekonomie a spolehlivosti výroby.

Finanční nákladnost nových technologií vede k prodlužování jejich životního cyklu, ke snaze využít technickou životnost výrobních linek (na rozdíl od dříve dominantní snahy co nejdříve přejít na novou technologii, na struktury s kratší délkou kanálu). Technologie 90 nm se prudce rozvinula a po dvou třech letech byla nahrazena technologií 65 nm, která ustupuje pozvolna, a nová technologie 45 nm a 32 nm zde bude ve výrobě ještě dlouho. Technologie 22 nm nastupuje u hlavních výrobců.

Výrobci se snaží jako alternativu k dalšímu zmenšování rozměrů struktur využít 3D integrace. Klíčovým problémem je chlazení, kde se laboratorně rozpracovává např. metoda s poetickým názvem chladiče na bázi iontového větru. Ionizovaný vzduch proudí v elektrickém poli mikrokanálky a odvádí ztrátové teplo.

Mooreův zákon a jeho modifikace

Mooreův zákon je empirické pravidlo (prognóza formulovaná na základě tří prvních integrovaných obvodů), které roku 1965 vyslovil spoluzakladatel firmy Intel Gordon Moore. Původní znění bylo: „Počet tranzistorů, které mohou být umístěny na integrovaný obvod, se při zachování stejné ceny zhruba každých 18 měsíců zdvojnásobí.“ Takovýto růst se nazývá exponenciální.

Význam Mooreova zákona je velký, často je vnímán jako barometr polovodičového průmyslu, měřítko pro hodnocení inovace a pokroku. Především jde o výrok, který je srozumitelný i lidem, kteří nejsou odborníci v mikroelektronice. Kromě složitosti (počtu tranzistorů) se začala do modifikací zákona zahrnovat i rychlost (taktovací kmitočet) a plocha čipu.

Diskuse o Mooreově zákonu za cca 50 let jeho platnosti by vydaly na silnou historickou knihu. S nástupem složitých integrovaných obvodů s analogovou i digitální částí se v angličtině objevila slovní hříčka More than Moore, která vystihuje přidanou hodnotu těchto obvodů. Výraz Beyond Moore znamená vývoj nanoelektroniky v situaci, kdy již původní Mooreův zákon nebude platit (kdy se zpomalí exponenciální růst složitosti čipů), předpokládá se, že důvody budou finanční, tj. nebude finanční návratnost investic do nových výrobních zařízení. Výraz Beyond Silicon znamená vývoj nanoelektroniky v situaci, kdy křemík bude nahrazen jinými polovodičovými materiály (spekuluje se hlavně o grafénu).

Protože cena továren na výrobu integrovaných obvodů je ohromná, byl paralelně k Mooreovu zákonu formulován (s hravostí, která je vlastní uživatelům technické angličtiny) tzv. Rockův zákon (někdy označován jako druhý Mooreův zákon): Investice do nových zařízení na výrobu čipů se zdvojnásobuje každé čtyři roky. Tento zákon překvapivě dobře platí a má zásadní význam pro ekonomiku polovodičového průmyslu.

Od G. Moorea se uvádí ještě tento zajímavý citát: „Kdyby výroba automobilů postupovala stejně rychle jako polovodičový průmysl, ujel by Rolls-Royce na jeden galon paliva půl miliónu mil a bylo by levnější ho vyhodit než zaparkovat.“

Nanotechnologie pro mikroprocesory a paměti

Ve výrobě mikroprocesorů a pamětí jsou hlavními hráči firmy Intel, AMD, Samsung, Global Foundries a TMSC. Pozorujeme přechod z technologie 45 nm na 32 nm, aktuálně na 22 nm a v brzkém výhledu na 14 nm a snad i 10 nm.

Poznámka k udávání rozměrů v technologiích: Až do konce 90. let bylo zvykem nazývat výrobní proces podle rozměrů nejmenší části tranzistoru, což byla délka hradla. Později se však z různých (hlavně marketingových) důvodů toto číslo začalo vzdalovat skutečnému rozměru hradla. Výrobci pamětí, kteří chtěli ve značení výrobního procesu odrazit jeho vyspělost, značí výrobní proces jiným číslem, které odpovídá polovině vzdálenosti mezi kovovými spoji, tzv. „half-pitch“ nebo „technology node“. Původně byl rozměr half-pitch zvolen právě proto, že v rámci daného procesu odpovídal délce hradla.

Procesory Intel byly nejprve pojmenovávány podle řek (především) ve státě Oregon, posléze nastoupily mosty a města (Haswell, Broadwell).

S rozvojem procesorů pro mobilní zařízení kolem roku 2000 Intel opustil strategii stále rostoucího taktovacího kmitočtu a začal vyvíjet vícejádrové procesory s nižší spotřebou výkonu. V roce 2003 to byl procesor Centrino s jádrem Banias (řeka v severním Izraeli). Byl vyvinut v pobočce Intelu v Haifě a uvádí se, že jeho hlavní problém nebyl v technickém řešení, ale jak přesvědčit akcionáře, že si někdo takový procesor koupí, když je vlastně v rozporu i s Mooreovým zákonem.

Další zajímavostí u firmy Intel je dvojstupňový proces poeticky nazvaný (jak jinak) podle tikání hodinek. Proces Tik-Tak (v USA Tick-Tock). V první fázi přijde změna výrobního procesu, tedy tzv. Tick, ve druhé fázi pak přechod na novou architekturu, tedy tzv. Tock. U technologie 32 nm bylo původní jádro Nethhalem (45 nm) nejprve vyrobeno v technologii 32 nm (pod názvem Westmere) a následně ve stejné technologii bylo předpracováno pod jménem Sandy Bridge. V jedné fázi tedy dělají jen jednu skupinu změn (buď technologie, nebo obvodové řešení/ architektura). Obdobně u technologie 22 nm jádro Ivy Bridge (přepracované Sandy Bridge) bude nahrazené jádrem Haswell. V souvislosti s nástupem technologie 22 nm se očekával přechod na wafery 450 mm, ten je opožděn nejméně o 5 let, protože ještě nezačala ani stavba potřebné továrny.

Technologie 45 nm představuje svým způsobem revoluci v technologii CMOS. Byl opuštěn oxid křemičitý a nahrazen oxidem hafnia pro oblasti hradel (hradlový oxid). Tento oxid se vyznačuje „velkou” hodnotou permitivity. Pro ostatní oblasti (tzv. polní oxid) se používá směs oxidů, která dociluje nízkou permitivitu (snižují se parazitní kapacity). Epitaxní křemík je tzv. napjatý na mezivrstvě germania. Obdobně technologie Intel 32 nm již nemá litograficky vymezený kanál. Obr. 1 ukazuje postupné zmenšování struktury unipolárního tranzistoru, tendence je k izolovanému substrátu a použití dvojitého nebo trojitého hradla, jehož rozměry nezávisí na litografii (pro jednoduchost není uváděna vrstva oxidu pod hradlem). Zájemce najde základní i podrobné informace např. v knihách [29–31].

Obr. 1 Vývoj technologií pro výrobu procesorů a pamětí

Heterostruktury

Významné místo v polovodičových nanostrukturách mají v současné době tzv. heterostruktury založené na propojení různých polovodičových materiálů s podobnou mřížkovou konstantou. Heterostruktura je vytvářena několika heteropřechody za sebou (alespoň jedním). Využívá se toho, že fyzikální vlastnosti polovodičů, které tvoří heterostrukturu, například různá šířka zakázaného pásu nebo rozdíl v indexu lomu, umožňují vznik oblastí, které tvoří „potenciálové jámy“ pro elektrony a díry nebo vlnovod pro fotony.

Ve dvoudimenzionálních heterostrukturách se nosiče (elektrony a díry) mohou pohybovat volně ve 2 dimenzích, v jednom rozměru je jejich vlnový vektor kvantován, fyzikové hovoří o kvantové jámě (potenciálové jámě). Kvantová jáma je používaný, ale ne zcela výstižný termín. Aplikačně výhodnější a pochopitelnější je termín kvantová vrstva.

Pokud omezíme vlnovou funkci v dalším rozměru, tj. nosiče se tedy budou moci volně pohybovat v jediném směru, získáme tzv. kvantový drát (Quantum Wires, QW, nanovlákno, nanodrátek). Předpokládá se použití pro polem řízené tranzistory a pro tvorbu propojovací sítě.

Extrapolace procesu vytváření heterostruktur vede k vytvoření 0D struktury, dojde k omezení vlnové funkce ve všech třech dimenzích, k „uvěznění“ elektronů do velmi malých (nanometrových) oblastí, ke vzniku tzv. kvantových teček.

Snižování (omezení) dimenzionality se projevuje zejména (a to významně) v nárůstu počtu elektronových stavů s nejmenší energií, které jsou k dispozici pro zářivou rekombinaci, tedy i k zesílení schopnosti vyzařování. Velká účinnost konverze elektrické energie na světelnou je hlavním důvodem masivního využití heterostruktur v laserech (kvantové tečky jsou umístěny do aktivní oblasti laseru). Ve fyzikálních rozborech zjistíme, že v kvantových tečkách jsou pak všechny stavy soustředěny do diskrétních hodnot energií. Toto velmi připomíná energiové spektrum atomů, o kvantových tečkách se proto také někdy mluví jako o umělých atomech.

Kvalitní kvantové tečky se poprvé podařilo připravit roku 1993 pomocí tzv. Stranskeho-Krastanovova módu růstu, při kterém se během epitaxe vytvářejí kvantové tečky samovolně následkem silného pnutí v heteroepitaxní vrstvě. Pnutí vzniká v důsledku velkého rozdílu v mřížkové konstantě podkladu a epitaxní vrstvy (např. InAs/GaAs s rozdílem mřížové konstanty –7 %).

Naopak supermřížka je speciální případ heterostruktury, kterou tvoří desítky až stovky heteropřechodů vzdálených obvykle jen několik rozměrů atomů. Pokud je tato periodicita dostatečně přesná, vzniká vlastně polovodičový materiál nových vlastností.

Nelitografické nanotechnologie

V současné době využíváme při výrobě elektronických součástek převážně litografické metody. Pozvolna se rozvíjí i nelitografické metody, které využívají fenoménu samouspořádání.

Výše uvedená metoda růstu nanoteček při epitaxním růstu vrstvy je ukázkou nelitografického procesu. Obdobně metodou VLS (Vapour Liquid Solid) můžeme získat polovodičová vlákna.

Z roztoků mohou na katalytických částečkách růst nanotrubičky nebo nanosloupky, tyto chemické metody nachází uplatnění při zvyšování aktivní plochy senzorů nebo v superkapacitorech.

Do samouspořádaných nanosystémů spadají také uhlíkové nanotrubice a grafénové vrstvy, které jsou považovány za budoucnost nanoelektroniky, ale je potřeba ještě mnoho práce směrem k integraci těchto nanostruktur.

Obr. 2 Postupné zmenšování struktury unipolárního tranzistoru

Spinotronika

První výsledky se objevují ve spinotronice (magnetoelektronice), které se předpovídá velká budoucnost. Jde o technologii využívající kvantové vlastnosti spinu elektronu. Zatímco v klasické elektronice je nositelem informace elektrický proud, resp. tok elektronů, ve spinotronice se kromě náboje elektronu uvažuje i orientace jeho spinu. Hlavním dosavadním výsledkem spinotroniky je tzv. jev obří magnetorezistence. Klasickou magnetorezistenci (závislost elektrického odporu na vnějším magnetickém poli – pokud má vodič magnetické vlastnosti, může směr vnějšího magnetického pole ovlivnit jeho elektrický odpor) objevil William Thomson (lord Kelvin) v roce 1856. Tehdy šlo však jen o několikaprocentní hodnotu celkového odporu vodiče.

Jev obří magnetorezistence (GMR, Giant Magnetoresistance) nastává v mnohovrstvých tenkovrstvých strukturách (vlastně nanostruktura v jednom rozměru – v tloušťce vrstvy). Elektrický odpor látky je ovlivněn interakcí spinu elektronu s magnetickým polem. Toho lze využít například ke čtení informace zapsané na harddisku. První čtecí hlava založená na tomto principu byla vyrobena v roce 1997 (firma IBM). Objev sám je z roku 1988. Objev tohoto jevu byl velkým překvapením. Fyzikové věřili, že podobný jev není možný buď vůbec, nebo jen za velmi nízkých teplot.

Hlavním odborníkem na spinotroniku v ČR je Tomáš Jungwirth, jeden z nejcitovanějších českých vědců, pracovník FÚ AV ČR a University of Nottingham. Získal prestižní Grant pro pokročilé vědecké pracovníky od Evropské výzkumné rady (ERC), jež podporuje významné vědce a jejich projekty v oblasti hraničního výzkumu. Jde o první tzv. Advanced grant, který byl udělen českému žadateli na projekt z oblasti věd o neživé přírodě.Pětiletý grant je spojen s částkou 2,5 milionu eur.

Jako příklad výzkumu ve spinotronice uvedeme, že ve Fyzikálním ústavu AV ČR [32] byl ověřen vliv dvouosého mechanického napětí od podložky na vlastnosti vrstvy EuTiO3. Záporné (kompresní) i kladné (tenzální) mechanické napětí by mělo indukovat feromagnetickou (FM) a feroelektrickou (FE) fázi v původně antiferomagnetickém (AFM) a paraelektrickém (PE) EuTiO3. Fáze FM a FE byly dosaženy na podložce DyScO3. Nevýhodou je, že jev byl prozatím pozorován jen při velmi nízkých teplotách [32].

Tenkovrstvé materiály tedy mohou mít vlivem mechanického napětí od podložky kompletně jiné vlastnosti než objemové materiály. V současné době vědci pracují na dalších tenkovrstvých materiálech, jež by měly mít požadované vlastnosti (tj. magnetické vlastnosti ovládané elektrickým polem) při běžných teplotách.

Memristory a další paměťové prvky

V roce 2008 byl v laboratořích Hewlett Packard objeven dlouho očekávaný čtvrtý pasivní prvek elektrických obvodů – memristor, který předpověděl prof. Leon Chua v roce 1971. Jde o součástku s dvěma vývody, která má proměnný odpor a „pamatuje“ si poslední hodnotu odporu [33, 34]. Vlastní nanostruktura je z polovodivého oxidu titaničitého. Po zvládnutí hromadné výroby se nabízí použití jako analogová paměť ReRAM (Resistive Random Access Memory) nebo neuronová síť.

Pro aplikace jsou již v podstatě dostupné další druhy pamětí. Paměť PRAM (Phase-Change RAM) využívá chalkogenidových skel, které mohou být pomocí tepelných impulsů převáděny z krystalického do amorfního stavu a zpět. Paměť MRAM (Magnetoresistive RAM) s dvojicí feromagnetických plátků oddělených izolační vrstvou. Jeden z plátků je trvale zmagnetován a má neměnnou polaritu. Polarita druhého se dá měnit pomocí vnějších elektrických impulsů.

Závěr

V současnosti je reálná vyhlídka na zhruba 10 až 15 let pokračování dosavadního trendu polovodičových technologií. Jako velmi perspektivní vidíme použití nanotechnologií v elektronice. Velkou výzvou jsou nové směry jako spintronika, molekulární a biomolekulární elektronika a fotonika. Sestavování struktur na atomové a molekulární úrovni může vést k významnému zlepšení vlastností a funkcí materiálů a může zlepšit výkonnost konečných produktů. Nanotechnologie zaujala vědce, inženýry a ekonomy v celém světě nejen generickou explozí objevů v nanorozměrech, ale i pro její potenciální sociální dopady, především v internacionalizaci a globalizaci výzkumu a výroby.

Díky stálému růstu trhu informačních technologií a růstu trhu s polovodičovými součástkami se máme v příštích letech na co těšit. Z minulých zkušeností průmyslu polovodičů vyplývá, že vynálezy jednotlivých vyrobitelných a spolehlivých zařízení neuvolňují okamžitě sílu skrytou v nové technologii. To se stane v okamžiku, kdy jednotlivá zařízení mají nízkou výrobní cenu, jsou-li spojena do fungujícího systému, může-li být tento systém spojen s okolním světem a když může být systém programován a řízen, aby splňoval určitou funkci. Věříme, že to bude v případě nanoelektroniky a nanotechnologií.