Физические и конструктивно-технологические ограничения при проектировании маломощных МОПТсхем

Таблица 5.1 приведены физические факторы, ограничивающие масштабирование ряда параметров МОП транзисторов

Таблица 5.1– Физические ограничения масштабирования МОПТ

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:

,

(5.18)

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):

,

(5.19)

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

.

(5.20)

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

(5.21)

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.5.2). Для технологии 0,18 мкм задержка даже в медных линиях связи сравнялась с задержкой в вентилях.

Таблица 5.2 – 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.5.3)

Таблица 5.3– Изменение характеристик МОПТ в соответствии сITRS

Контрольные вопросы

1. Почему КМОП схемы потребляют малую мощность?

2. В чем заключаются эффект защелкивания в КМОП схемах, изготавливаемых по технологическим нормам более 0,25 мкм?

3. Как в современных приборах устраняют эффект защелкивания?

4. Какие вы знаете источники рассеиваемой мощности в КМОП схемах?

5. Какие механизмы токопереноса ответственны за статическое энергопотребление КМОП схем?

6. Какие механизмы токопереноса ответственны за динамическое энергопотребление КМОП схем?

7. Как меняется соотношение между статистической и динамической мощностями рассеивания по мере уменьшения проектно-технологических норм?

8. Какие физические ограничения существуют ппри проектировании маломощных КМОП ИМС?

9. Какие конструктивно-технологические ограничения существуют при проектировании маломощных КМОП ИМС?