Микроэлектроника по-прежнему делится на две основные составляющие: логику и память. Главный элемент для всех них — кирпичик, из которого все строится, — кремниевый транзистор металл-диэлектрик-полупроводник, он же полевой транзистор. Мы почти полвека просто уменьшали его размеры, а потом уперлись в физические пределы возможностей кремния.
Структура и АСМ-изображение монослоя MoS₂. Источник: Nature Nanotechnology
Функции подзатворного диэлектрика в классическом полевом транзисторе выполнял диоксид кремния SiO₂. Его замечательность в простоте получения: это делается хорошо контролируемым окислением поверхности кремниевой подложки, на которой печатаются транзисторные схемы. Слой оксида получается, во-первых, очень тонкий, а во-вторых — очень качественный. Соответственно, постепенное уменьшение этого слоя позволяло продолжать миниатюризировать транзисторы на кремниевой подложке.
До предела толщины диоксида кремния микроэлектронная промышленность дошла в нулевые годы XXI века. Уже в 2001 году слой подзатворного SiO₂ стал исчисляться в атомах. Диаметр атома кремния — 0,26 нанометра; в слое толщиной 1,3 нанометра их никак не больше пяти. И для электронов, бегущих по затвору, такая преграда уже перестала быть сплошной — потому что на таких масштабах управлять начинают законы квантового мира. Носители заряда, одновременно частицы и волны, стали просачиваться сквозь кристаллы изоляции, разогревая платы. Разгоряченные ноутбуки теряли заряд быстрее прежнего, дата-центрам пришлось разоряться на дополнительное охлаждение, а разработчики мобильных устройств — внедрять процедуры форсированного энергосбережения.
Проблема энергоэффективности — вечная. Пределы кремния привели к тому, что дальше 4 гигагерц частота процессоров не пошла, вместо этого стало расти число самих процессоров.
HKMG, FinFET, GAAFET
В 2007 году Intel выпустила на рынок high-k / metal gate процессор, в котором в качестве подзатворного изолятора вместо кремния использовался оксиды гафния. Смена материала для индустрии ознаменовала серьезное изменение технологического процесса. Если прежде достаточно было просто окислять подложку, теперь на нее надо было наносить тонкий слой металлического диэлектрика. Для этого в порядок производства пришлось добавить еще один этап.
Так оборудование для атомно-слоевого осаждения из лабораторий переехало на фабрики полупроводников. Вместе с этим пришлось отказаться и от кремниевого затвора, чтобы получить транзисторы n- и p-типа, которые прежде делали так называемым легированием — просто «накачивая» кремниевый слой бором или фосфором.
«К сожалению, этот путь, high-k / metal gate (HKMG), тоже исчерпал себя,— говорит Андреей Маркеев, руководитель группы атомно-слоевого осаждения ЦКП МФТИ. — В планарных транзисторах на кремнии удалось получить длину канала порядка 20 нанометров. Дальше уже ничего не помогало. Если вы решаете уравнение Пуассона, там есть такой параметр лямбда, характерная длина экранирования, уж меньше которой вы вообще не сделаете транзистор. И эта лямбда, она зависит не только от диэлектрической проницаемости (k) диэлектрика, от толщины диэлектрика, но и от толщины полупроводника». И это дает еще один ключ к уменьшению длины транзистора, а именно уменьшение толщины самого кремния.
И тогда транзисторы перевели на тонкий и вертикально расположенный канал. Появилась технология, известная сейчас как FinFET (fin — англ. «плавник»): при этом затвор стал «обнимать» канал между истоком и стоком с трех сторон. А чтобы шагнуть еще дальше, идею с «плавниками» довели до предела: GAAFET (GAA — gate all around, то есть буквально «затвор со всех сторон»). «Полную технологию, конечно, никто не расписывает, но там длина канала порядка 10 нанометров,— объясняет Маркеев.— Это уже очень серьезная технология. Gate All Around освоили только две компании. Это Intel и TSMC. Это еще сложнее, чем FinFET».
От объема к плоскости
Кремний — обычный, «объемный» материал. Получить слой нанометровой толщины, в принципе, возможно, но он не будет однозначно ровным, просто потому, что это совсем неестественное состояние для материала с такой структурой. И шероховатости на его поверхности будут сопоставимы с толщиной канала вашего нанометрового транзистора. Что делает в целом бессмысленным всю затею.
Изготовление транзистора по планарной технологии:
(1) полупроводник с электропроводностью n-типа; (2) пленка диоксида кремния; (3) область базы; (4) область эмиттера; (5) металлическая пленка (электроды).
(а) подложка; (б)–(ж) три цикла окисления и засветки в степпере для создания областей базы и эмиттера; (з) металлизация © Sergey Buzun / CC BY-SA 3.0
Возбуждение, которое испытал большой бизнес после открытия графена, был связан в первую очередь с тем, что ультра-тонкие и плоские слои графена можно получать контролируемо. Однако, как быстро выяснилось, графен по своим свойствам все-таки не полупроводник, а полуметалл. В нем нельзя так просто взять и «пережать» проводимость, как это делают в полупроводнике. Это, конечно, не делает графен бессмысленным для микроэлектроники в принципе. Просто он не закрывает вопрос, волнующий индустрию в первую очередь, а он все тот же: как уменьшить размер транзисторов, которые были придуманы в середине ХХ века, когда о квантовой физике, двумерных материалах и прочих тонкостях физического устройства микромира думали только в университетских стенах?
Графен, тем не менее, пробил дорогу всему классу двумерных материалов. В центре внимания прямо сейчас дихалькогениды переходных металлов (ДПМ). Дисульфид молибдена, дисульфид вольфрама и их же диселениды. Они похожи на графен тем, что их кристаллы представляют собой мономолекулярные слои, «склеенные» ван-дер-ваальсовым притяжением, и при этом, в отличие от него, по природе своей — полупроводники.
«Сейчас все сообщество, которое отвечает за закон Мура, рассматривает двумерные ДПМ уже серьезно,— говорит Маркеев.— Строят машины, чтобы их растить. С ним совсем другая технология, и к нему неприменимо ионное легирование. Я лет пять назад думал, что это только университетская наука. Но нет: Intel, TSMC и IMEC ведут исследования в этой области. И в одном из своих обзоров Intel уже пишет, что надо с ним, конечно, еще поразбираться, но есть признаки того, что электроника может перейти на атомарный уровень, и это будет сопоставимо с той революцией, которую вызвала кремниевая микроэлектроника. Так что двумерные дихалькогениды переходных металлов уже рассматриваются как прямая альтернатива кремнию».
Один из первых «двумерных» ДПМ транзисторов сделали в 2011 году, естественно в лаборатории. На подложку из окисленного кремния перенесли слой дисульфида молибдена, который довели до сверхтонкого состояния механическим расщеплением (так же получают монослои графена). Этот слой покрыли сверхтонким слоем оксида гафния — тут уже действовали точно так же, как уже придумали в Intel, используя метод атомно-слоевого осаждения. Получился классический «бутерброд» планарной технологии: подложка — полупроводник — изолятор, электроды и затвор ученые сделали из золота. Он работал как транзистор n-типа.
Структура гексагонального монослоя дихалькогенида переходного металла М — атомы металла, Х — халькогены (а) профиль (б) решетка © 3113Ian / CC BY-SA 3.0
Генерально, для выхода «в продакшн» с дихалькогенидами нужно все еще решить три проблемы:
- бездефектного роста строго атомарного слоя на подложках коммерчески значимых площадей;
- снижения разницы сопротивления между слоем полупроводника и контактами транзистора, то есть получения качественных омических контактов истока и стока;
- возможность получать транзисторы n- и p-типов.
Первая — вопрос совершенствования метода АСО как такового. Вторая, скорее всего, решается банальным перебором материала для электродов и затвора. С третьей все несколько сложнее.
«В кремнии это решалось легированием,— объясняет Маркеев.— Для двумерных материалов это пока проблема: они плоские, в них ионы не застревают, прошибают насквозь. Но оказалось, что диселенид вольфрама позволяет реализовать транзистор p-типа. А дисульфид молибдена — транзистор n-типа. Надежда на то, что на этой паре, MoS₂ и WSe₂, можно будет делать комплементарные устройства».
В апреле 2025 года китайские исследователи отчитались в журнале Nature, что создали 32-битный процессор с 5931 транзистором, слой дисульфида молибдена на котором строго один — толщиной три атома: сера, молибден, сера. Его производительность на порядки ниже, чем у его кремниевых коллег даже прошлых поколений — он работает на частоте нескольких килогерц. Но на нем уже реализована логическая архитектура RISC-V, то есть это полноценный процессор, причем этапы его производства могут быть воспроизведены на современных фабриках, печатающих кремниевые CMOS. Вопрос, переводимо ли это «могут» в глагол совершенного вида «смогут», конечно, до сих пор открыт: это дело техники. На которое нередко уходят годы.
Андрей Маркеев, руководитель группы атомно-слоевого осаждения ЦКП МФТИ: «Современная флеш-память, на самом деле, одно из немногих изделий, которые можно считать трехмерными. Вот там — десятки слоев. Вы укладываете эту память “этажами”, а канал для нее делают из поликремния. И диаметр этого канала настолько мал, что он получается практически аморфным. И, соответственно, в такой аморфной структуре подвижность электронов уже 0,1 см²/(В·с). Люди пишут, что нам, конечно, хотелось бы считывать ток 1 микроампер, но у них всего 200 наноампер. Да, в памяти, конечно, не требуется безумного быстродействия, но и тут есть пределы. И если, например, получится заменить поликремний на тот же дисульфид молибдена — здесь он показал, что у него подвижность 50 см²/(В·с), не 0,1 см²/(В·с)».
И наконец, двумерные ДПМ преподнесли микроэлектронике еще один подарок: они относительно легко переносятся на пластину с уже готовым слоем транзисторов. То есть транзисторы из 2D-материалов можно просто укладывать друг на друга. Таким образом, с одной стороны, оставаясь в логике планарного CMOS-производства, где сложение слоев порождает один «плоский» функциональный слой, вы приходите к сложным, многоуровневым устройствам, в каждом слое которого реализована отдельная интегральная схема. Это путь к давней мечте микроэлектроники: выход «в объем», к освоению третьего измерения. Но это, конечно, еще очень далекое — в технологическом смысле — будущее. Пока что нам надо научиться решать задачи на плоскости.
