За последние 50 лет производство интегральных микросхем выросло из стадии младенчества и превратилось в крупнейшую отрасль мировой экономики. Помимо самостоятельной ценности, интегральные микросхемы стали основополагающим элементом всей электронной промышленности с годовым оборотом в триллион долларов и нашли свое применение практически в любой продукции современной цивилизации - от автомобилей до поздравительных открыток. Оглядываясь назад, трудно поверить, что былые прогнозы, основанные на передовых научно-технических расчетах своего времени, предполагали, что себестоимость транзисторов может, в конечном счете, снизиться до 50 центов. Эти прогнозы не учитывали появления интегральных микросхем и их последующей эволюции, что в настоящее время позволяет объединить сотни миллионов транзисторов в рамках единой интегральной структуры.
Развитие и рост полупроводниковой промышленности в значительной степени обуславливались уникальными особенностями технологии создания интегральных схем и беспрецедентной адаптационной способностью рынка этих изделий. На рис.1.1.1. - 1.1.3 представлены графики роста объемов производства полупроводниковой промышленности за последние 30 лет, приблизительное количество ежегодно выпускаемых транзисторов и средняя стоимость одного транзистора, получаемая в результате деления соответствующих показателей из двух предыдущих графиков. Наряду с обобщенным ежегодным приростом порядка 15% в год, график объемов производства (рис.1.1.1.) иллюстрирует взлеты и падения, которые переживала полупроводниковая промышленность в результате нарушения баланса между имеющимися производственными мощностями и потребностями рынка. На рис. 1.1.2., напротив, демонстрируется плавный рост ориентировочного количества ежегодно выпускаемых транзисторов. Из графика видно, что за последние 30 лет объем ежегодного производства транзисторов вырос на 8 порядков, при этом обобщенный среднегодовой прирост составил 78% (указанный временной интервал включает и несколько лет в 70 - 80-х годах, на протяжении которых годичный прирост превышал 100%).
Рис. 1.1.1. Мировой объем производства полупроводниковНа рис. 1.1.3 приведены данные, полученные в результате деления объемов на приблизительное количество производимых транзисторов. Из графика видно, что средняя отпускная цена в пересчете на один транзистор за последние 30 лет снизилась на 6 порядков, составив в 2002 году примерно 20 миллионных долей цента. Более того, стоимость одного транзистора в современных модулях динамической оперативной памяти (DRAM) еще на порядок ниже. Небывалое снижение цены производимой продукции в сочетании с увеличением его потребления и стало движущей силой развития всей полупроводниковой промышленности.
Рис. 1.1.3. Среднегодовая цена транзистора.Тем не менее, экспоненциальное изменение любой физической величины не может длиться вечно. Та или иная причина всегда ограничивает продолжение роста. В полупроводниковой промышленности кривая экспоненциального развития многих процессов рано или поздно приближается к подобным ограничениям. Если мы хотим сохранить исторически сложившийся темп прогресса, потребуются новые обходные маневры. Полупроводниковой индустрии в ближайшее десятилетие или чуть позже снова придется преодолевать барьеры. Уже в настоящее время выравнивание графика роста прибыли в полупроводниковой промышленности, начавшееся в 1994 году, дает повод для определенной озабоченности.
Основополагающий технологический фактор, обусловивший выдающиеся достижения отрасли, заключается в том, что уменьшение размеров устройства улучшает практически все характеристики электронной микросхемы. Транзисторы работают быстрее и потребляют меньше энергии. Возможности интегральной реализации сложных функций увеличиваются, в результате чего улучшается надежность систем, уменьшаются их размеры и масса, и обеспечивается возможность создания все более сложных систем, обладающих низкой стоимостью и повышенной надежностью. Но что самое важное - значительно увеличившаяся плотность размещения компонентов существенно снижает себестоимость продукции.
Рис. 1.1.4. Минимальный размер элемента интегральной микросхемы (мкм)Минимальный размер элемента производимых интегральных микросхем с момента их первого появления снижался по экспоненте (рис. 1.1.4.). Во всяком случае, скорость уменьшения размеров элемента за последние несколько лет увеличилась по сравнению с традиционным «уменьшением вдвое за шесть лет». Это вызвано тем, что производители микросхем вынуждены бороться за конкурентоспособность своей продукции. Как показано в докладе «Перспективы развития полупроводниковых технологий, 2001 г.» (Technology Roadmap for Semiconductors, 2001 Edition), период между переломными моментами технологий приближается к двум годам вместо исторически сложившихся трех. Даже несмотря на увеличивающиеся технологические трудности и финансовые затраты, сопровождающие уменьшение размеров элементов, конкурентное преимущество, получаемое от выхода на рынок продукции следующего поколения, поддерживает процесс миниатюризации. Производители вынуждены корректировать свои разработки в направлении повышения конкурентоспособности в соответствии с новыми технологическими достижениями в отрасли.
За прошедшие годы несколько раз казалось, что технологические барьеры должны замедлить или даже остановить описанные выше тенденции, однако, поскольку ставки были высоки, компании-производители нашли способы обойти возникшие препятствия. Тем не менее, в течение двух ближайших десятилетий производители встретятся с новым и еще более фундаментальным барьером - вещества состоят из атомов, а зона действия современной полупроводниковой технологии приближается к размерам атомов. Указанная проблема, скорее всего, проявит себя в толщине диэлектрика, изолирующего затвор транзистора (рис.1.1.5.). По мере развития технологии данный параметр также уменьшался примерно по экспоненциальному закону. Как показывает микрофотография электронного перехода (рис.1.1.6.), при использовании диоксида кремния в качестве диэлектрика затвора транзисторы следующего поколения будут иметь слой диэлектрика толщиной всего в несколько молекул. Впрочем, в данном случае есть возможность использования материалов с более высокой диэлектрической постоянной, что позволяет достичь заданных характеристик электрического поля посредством более толстого слоя изолятора. Такое решение отодвигает наступление описываемой проблемы.
Рис. 1.1.5: Эффективная диэлектрическая толщина полевого транзистора с МОП-структурой затвора (ангстрем)