Физические и конструктивно-технологические ограничения при проектировании маломощных МОПТ

В табл. 4.2приведены факторы, ограничивающие масштабирование ряда параметров МОП транзисторов

Квантовый теоретический предел на нижнюю границу мощности информационного сигнала проистекает из фундаментального принципа неопределенности Гейзенберга. Применительно к микроэлектронике его можно переформулировать следующим образом: для того, чтобы иметь возможность измерить энергию (мощность) переключения с временем продолжительностью , величина энергии должна быть больше, чем соотношение , а именно:

,

(4.73)

где h – постоянная Планка.

Фундаментальный предел на основе электромагнитной теории в нашем случае приводит к ограничению скорости распространения высокочастотного импульса по межсоединению до его величины, меньшей чем скорость света в свободном пространстве (С₀):

,

(4.74)

где L – длина критического межсоединения БИС;

τ – время передачи сигнала по этому межсоединению.

Если говорить о материалах и их предельных свойствах, то можно отметить основные характеристики полупроводникового материала, которые определяют свойства созданного прибора, это: подвижность носителей (µ), скорость насыщения носителей (V_s), напряженность электрического поля самоионизации (Е_с) и теплопроводность ( ).

Еще одной причиной, мешающей дальнейшему уменьшению размеров транзисторов, является квантово-механическая природа инверсионного слоя, которая не позволяет электронам располагаться непосредственно у поверхности кремния. Максимум пространственного распределения электронов находится на расстоянии 1 нм от поверхности. Это увеличивает эффективную толщину окисла примерно на 0,3 нм. Кроме того, вследствие ограниченной концентрации примеси в поликремниевом затворе в нем наступает режим обеднения, из-за которого увеличивается эффективная толщина подзатворного слоя диэлектрика. Общее увеличение эффективной толщины составляет около 0,7 нм, что уменьшает ток стока и нагрузочную способность транзистора.

Теоретический расчет предельного значения энергии переключения P и времени переключения t с учетом предельных параметров полупроводниковых материалов, которые не зависят от структуры и геометрии приборов, в конкретном практическом приложении дал величину отношения P/t для кремния 0,21 Вт/нс, а для аресенида галлия – 0,69 Вт/нс. Это показывает, что в то время, как GaAs имеет преимущество по быстродействию по сравнению с кремнием, он должен отводить тепла в три раза больше при том же времени переключения.

И. наконец, фундаментальное ограничение (по материалу межсоединений) проистекает из соображений конечной скорости света (с₀). Время распространения сигнала через межсоединение длиной L материала с относительной диэлектрической постоянной должно удовлетворять очевидному соотношению

.

(4.75)

На уровне приборно-технологического представления межсоединения БИС могут моделироваться как каноническая распределенная сеть «сопротивление – емкость». Когда такая сеть управляется идеальным источником напряжения, который формирует функцию одиночной ступеньки, то 90 % времени переключения сети характеризуется выражением

(4.76)

где R_s – поверхностное сопротивление проводника, в Омах на квадрат;

C_s – поверхностная емкость, в фарадах на см²;

L – длина межсоединения.

Это выражение характеризует ограничение минимального времени отклика межсоединения при заданной длине.

Немаловажной проблемой являются межсоединения. При технологии 0,25 мкм только 20% задержек в БИС определяются затворами МОПТ, а 80% - межсоединениями (табл. 1.3). Для технологии 0,18 мкм задержка даже в медных линиях связи сравнялась с задержкой в вентилях.

Таблица 4.3– Задержки в транзисторе и линиях межсоединений интегральных микросхем

В последние годы масштабирование, или увеличение плотности размещения элементов микросхем, решили определять по шагу затвора МОПТ. К 2024 году, согласно ITRS, он должен составить 15 нм (табл. 1.4.)

Таблица 4.4–Изменение характеристик МОПТ в соответствии с ITRS

Контрольные вопросы

1. Почему этот тип транзисторов называют «полевым» или «униполярным»?

2. По каким признакам классифицируют полевые транзисторы?

3. Как моделируется сопротивление каналов в канальных и МОП транзисторах?

4. В чем заключается идеализация МОПТ?

5. Какие зарядовые состояния на границе Si-SiO₂ вы знаете?

6. Что влияет на величину порогового напряжения МОПТ? Как млжно ее регулировать?

7. Что влияет на частотные свойства МОПТ?

8. Почему МОПТ с самосовмещенным затвором более высокочастотные?

9. Какие критерии, разграничивают МОПТна длинно- и короткоканальные?

10. Что такое «DIBL эффект»?

11. За счет какой составляющей величины порогового напряжения его значение уменьшается в короткоканальных МОПТ?

12. Почему подвижность носителей в канале является одним из основных параметров МОПТ?

13. Какие существуют методы увеличения подвижности в МОПТ?

14. Для чего производят подлегирование канала МОПТ?

15. В чем заключается «эффект паразитного биполярного транзистора» в короткоканальных МОПТ?

16. Какую роль выполняют вcтроенные LDD области в структуре современных МОПТ?

17. Kакие перспективные структуры МОПТвы знаете?