Принципы масштабирования

Введение

Название «микроэлектроника» связано с тем, что первые транзисторы имели размеры порядка 10 микрометров (микрон). За полвека развития размеры транзисторов уменьшились на несколько порядков величины. Граница между микроэлектронной и наноэлектронной технологиями носит условный характер и проводится на размерах ~ 100 нанометров (0,1 мкм). Это объясняется тем, что удобней оперировать целыми числами - нанометрами, а не долями микрометра. Для оценки размера в 100нм достаточно сказать, что такой размер имеет вирус гриппа. Переход в наноэлектронную область произошел в 1999 году. В 2012 году фирма Intel начала производство схем с технологической нормой 22нм и в настоящее время готовит выпуск схем с технологической нормой 14нм.

Что же касается внедрения в индустрию приборов на новых физических принципах или даже на новых материалах, то это представляется делом достаточно отдаленного будущего (не ранее чем через 20-30 лет). Несомненно, что некоторые уже давно известные и недавно открытые материалы (например, графен – моноатомная 2-х мерная решетка углерода с уникальными электронными и механическими свойствами) займут значительную нишу в будущей электронике. Тем не менее, полное вытеснение кремния как основного материала электроники представляется столь же маловероятным событием, как вытеснение железа в качестве основного конструкционного материала.

Закон Мура

Анализ эмпирических тенденций первых 5 лет развития интегральной технологии позволил Гордону Муру (рис. 2.3) сформулировать в 1965г. некоторую закономерность, впоследствии получившую название закона Мура.

Первоначальная формулировка закона звучала следующим образом: «Количество транзисторов на чипе (интегральной схеме) удваивается каждые 12 месяцев». Несмотря на некоторый произвол в формулировке и обосновании, закон Мура имеет определенную физическую основу. Его физическое содержание состоит в идее возможности масштабного уменьшения геометрических размеров микроэлектронных компонентов с сохранением электрических и улучшением функциональных характеристик отдельных приборов и всей схемы в целом (масштабирование, или размерный скейлинг).

Рис. 2.4. Зависимость степени интеграции от времени (закон Мура)

Именно возможность масштабирования микроэлектронных структур явилась технологическим и экономическим основанием, обеспечившим победное шествие закона Мура на протяжении уже почти полувека (рис. 2.4).

Сложившиеся тенденции масштабирования ИС могут быть сформулированы (с определенной степенью точности) следующим образом:

- новое поколение технологии появляется через каждые три года;

- при этом уровень интеграции ИС памяти увеличивается в четыре раза, а логических ИС – в 2-3 раза;

- за каждые два поколения технологии (то есть за 6 лет) минимальный характеристический размер уменьшается в два раза, а плотность тока, быстродействие (тактовая частота), площадь кристалла и максимальное количество входов и выходов увеличиваются в два раза.

Выделяют две основные цели и два вида ограничений при масштабировании МОПТ.

Первая цель заключается в увеличении рабочего тока МОПТ для увеличения быстродействия, которое ограничивается временем заряда и разряда емкостной нагрузки. Увеличение тока стока требует уменьшения длины канала и увеличения электрического поля в подзатворном окисном слое, которое определяет плотность заряда в инверсионном слое.

Вторая цель – уменьшение размеров для увеличения плотности размещения элементов. Это требует уменьшения как длины, так и ширины канала МОПТ, то есть увеличения тока на единицу ширины канала для обеспечения необходимого рабочего тока.

Увеличение количества элементов на одном кристалле (чипе) (то есть повышение степени интеграции) достигается, главным образом, за счет уменьшения так называемой технологической нормы, и, в некоторой степени, за счет роста площади чипа.

Площадь одного чипа, на котором располагается схема памяти или микропроцессор, имеет тенденцию к росту, но в гораздо меньшей степени. В настоящее время типичные размеры чипа составляют <145 мм2 для устройств ДОЗУ и <310 мм2 для микропроцессоров. В настоящее время на одном чипе располагается более миллиарда транзисторов. Ожидается, что к 2016г. количество транзисторов на одном чипе будет составлять ~ 10 млрд.

Принципы масштабирования

Анализ, проведенный Деннардом (Dennard) в начале 70-х гг. XX в., привел к неожиданному выводу: уменьшение размеров приборов улучшает почти все характеристики схем, как функциональные, так и экономические. Этот вывод дал зеленый свет к продолжающейся по сию пору технологической гонке на основе идей пропорциональной миниатюризации – масштабирования (скейлинга).

Основная идея масштабирования – уменьшение геометрических размеров приборов с сохранением некоторых функциональных и параметрических инвариантов. В частности, необходимо, чтобы при масштабировании не изменялись электрические характеристики ВАХ транзисторов. Для этого необходимо оставлять постоянными некоторые параметрические инварианты. Один из возможных таких инвариантов – электрические поля в транзисторе. Для того чтобы электрические поля внутри приборов оставались приблизительно постоянными, необходимо уменьшать напряжения питания.

Численной характеристикой масштабирования является безразмерный масштабный фактор . Наблюдаемая численная характеристика масштабирования = 5 за 10 лет. Часто обсуждаются и другие стратегии «обобщенного масштабирования», учитывающие разные масштабные факторы для параметров разных типов. Например, при увеличении степени интеграции характерные значения электрического поля в транзисторе увеличиваются. Это связано с тем, что напряжение питания уменьшается медленней, чем характерные размеры, например, толщина подзатворного окисла.

На практике невозможно выдержать последовательно любую из этих стратегий. Поэтому разработчики часто пользуются эмпирическими правилами масштабирования, основанными на анализе фактических тенденций и технологических традиций в своей фирме.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: