Ограничения масштабирования

Сформулированы два вида ограничений при масштабировании МОПТ. Первый вид ограничений связан с необходимостью снижения токов утечки и объясняется следующими причинами: снижением порогового напряжения при уменьшении длины канала, смыканием ОПЗ областей стока и истока в объеме подложки, туннелированием носителей между областями стока и подложки при высокой напряженности электрического поля в области перекрытия стока затвором (GIDL - эффект), лавинным пробоем р-п перехода сток- подложка.

Второй вид ограничения масштабирования вызван необходимостью обеспечения надежного функционирования ИС в течение заданного срока службы приборов. Он связан с воздействием горячих носителей и зависимым от времени пробоем подзатворного диэлектрика.

Пределы масштабирования диктуются постоянством фундаментальных и технологических характеристик материала, большинство из которых не поддаются масштабированию. Это, например:

ширина запрещенной зоны кремния (ограничивает снизу пороговое напряжение, ширину обедненной области);

эффективная масса носителей (ограничивает сверху подвижность, скорость насыщения и быстродействие);

внутренние характеристики материалов − например, поле в подзатворном окисле SiO₂ не может превышать максимальное напряжение пробоя окисла (~ 10⁷ В/см).

Другой причиной ограничения масштабирования являются некоторые фундаментальные законы, лежащие в основе работы прибора. Например, подпороговые токи утечки между стоком и истоком определяются больцмановской статистикой надбарьерного перехода носителей между стоком и истоком и, вообще говоря, не зависят от геометрических размеров приборов. Паразитные туннельные токи при масштабировании даже возрастают.

Кроме того, при малых размерах начинает работать геометрический фактор, связанный с ухудшением электростатического контроля заряда в канале зарядом на затворе. Это является следствием нарушения планарности и проявлением трехмерности уравнения Пуассона, что приводит к появлению паразитных короткоканальных эффектов.

Возрастание последовательных паразитных сопротивлений истоков/стоков (S/D) – уменьшение максимального тока. Возможное решение состоит в использовании металлических контактов в качестве стоков и истоков.

Обеднение затвора приводит к падению потенциала на затворе и выражается в уменьшении эффективной затворной емкости. Возможное решение состоит в использовании металлических затворов вместо поликремниевых.

Уменьшение размеров и использование нетрадиционных изоляторов уменьшает подвижность. Возможное решение состоит в использовании для увеличения подвижности Si/Ge сплавов и слоев напряженного кремния.

Заключение

Мировая микроэлектроника, следуя закону Мура, всегда опровергала регулярно выдвигаемые инженерами опасения, что мы вот-вот упрёмся в непреодолимые физические ограничения, после которых отрасль либо застрянет навсегда, либо будет вынуждена перейти на принципиально новые материалы и эффекты. Но как бы не оказалось так, что реальным тормозом будет эффект глобального насыщения: после бурного роста менять каждые год-два процессоры и память как обувь и одежду — на новые, подходящие размеры — уже не потребуется.

Другая проблема в том, что даже в тех применениях, где производительность и память никогда не будут лишними, качественный скачок (вместо очередного удвоения регистров, векторов, кэшей и ядер) может быть лишь при переходе на новый вид элементной базы — графеновой, фотонной, спинтронной, квантовой или прочей «волшебной». Но для её разработки, адаптации к массовому производству и (особенно!) построению самого производства потребуется огромное количество денег — куда большее цены современного фаба. Вполне возможно, лет через 10 (когда нынешнюю литографию растягивать далее уже не получится) никакие частные фирмы это не потянут. А какое из государств даже сегодня захочет профинансировать высокорисковые технологии микроэлектроники будущего?

Список литературы

1. Иванов А.С. Физические основы микро- и нанотехнологии: уч. пос. / Пермь: Изд-во Перм. Нац. Исслед. Политехн. Ун-та, 2011.- 311с ISBN 978-5-398-00638-4

2. Рамбиди М.Г., Березкин А.В. Физические и химические основы нанотехнологий /М.: ФИЗМАТЛИТ. 2009.-456с. ISBN 978-5-9221-0988-8

3. Кособудский И.Д., Симаков В.В., Ушаков Н.М., Юрьев Г.Ю. Физическая химия наноразмерных объектов: композиционные материалы / Саратов: Сар. техн. ун-т. 2009.-203с. ISBN 5-7433-1736-4

4. Валиев К.А. Микроэлектроника: достижения и пути развития / М.: НАУКА. Гл. ред. Физ-мат. лит. 1986.-144с

5. Нанотехнологии в электронике / Под ред. Чл.-корр. РАН Ю.А. Чаплыгина. М.: ТЕХНОСФЕРА. 2005.-448с. ISBN 5-94836-059-8

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: