Тема 4. Технологічні, схемо технічні і фізичні обмеження на зменшення активних елементів і ріст ступеня інтеграції

Основні тенденції розвитку електроніки пов’язані із збільшенням продуктивності та функціональної складності ІС, що в свою чергу пов’язано з постійним ростом ступеня інтеграції та зменшення розмірів активних елементів ІМС.

Однак цій тенденції є певні обмеження, які можна поділити на: технологічні, схемотехнічні і фундаментальні фізичні.

Технологічні обмеження – зумовлені особливостями технологічних процесів виготовлення ІМС.

1.Обмеження на вертикальні розміри визначають процесами епітаксійного вирощування плівок. Використання молекулярно-променевої епітаксії дозволяє контрольовано одержувати епітаксій ні плівки товщиною декількох атомних шарів. Однак, продуктивність процесу низька, а значить значні економічні затрати.

2.Обмеження на горизонтальні розміри визначаються основним чином процесами літографії. Для масового промислового виробництва використовуються проекційну літографію глибокого та екстремального ультрафіолету (розміри елементів 30-40 нм). Для одержання елементів близько 10 нм можна використовувати електронно-променеву, іонно-променеву літографію та зондові методи, які дозволяють маніпулювати окремими атомами. Однак, знову значні економічні затрати. В нанолітографії значну роль відіграють також операції точного суміщення фотошаблонів, що вимагає високоточних маніпуляторів.

3.Процеси локального окислення чи нанесення оксидів в нанодіапазоні дозволяють методи промислового осадження та зондові методи.

4.Технологічні процеси легування обмежуються не так операціями, як схемотехнічними обмеженнями: максимальними рівнями концентрації легуючої домішки.

5.Технологічні операції під’єднання електродних виводів до кристалу обмежуються вимогами до розмірів контактних площадок, механізмів суміщення і приєднання – високоточних маніпуляторів. (провідних з’єднань між активними

Металізація елементами в межах одного кристалу виконується в декількох рівнях, розділених шаром діелектрика. Мінімальні розміри визначаються в більшій мірі схемотехнічними обмеженнями.

Таким чином, технологічні обмеження зводяться практично до економічних обмежень, тобто, до вартості, продуктивності і відтворюваності технологічних процесів. Розкид параметрів техпроцесів, який зростає із зменшенням розмірів активних елементів, не повинен знижувати процент виходу придатних кристалів.

Схемо-технічні обмеження.

Схемотехнічні обмеження зумовлені як особливістю будови і принципів роботи уніполярних та біометричних транзисторів, так і є спільні для обох типів активних елементів.

Одне з найважливіших обмежень – це густина потужності. Експерементально показано, що в кремн. ІМС можна забезпечити відвід тепла від кристалу при середній потужності . Ця величина перевищує сучасні потреби, однак, серйозну проблему викликає локальне підвищення температури через значну густину потужності в окремих транзисторах. Зменшити потужність можна шляхом зменшення напруги і живлення схеми та густини струму. Однак, таке зменшення обмежене фізичними причинами.

Обмеження густини струму в різних областях транзисторних структур, зумовлені насиченням дрейфової швидкості носіїв в колекторі, високим рівнем інжекції в базі та контактним опором металу до емітеру (останнє обмеження викликане явищем електроміграції).

Густина струму в алюмінієвому між елементному з’єднанні в кристалі за кімнатної температури не повинна перевищувати , що накладає обмеження на поперечний переріз (товщину і ширину) провідників.

З іншого боку швидкодія НВІМС визначається затримкою логічних елементів та міжелементних з’єднань. Принцип пропорційної мініатюризації потребує зменшення ширини і товщини провідників, а також товщини ізолюючих шарів.

Час затримки логічних елементів, зумовлений тільки ємністю провідників, зростає при збільшенні ступеня інтеграції ( тобто збільшення ступеня інтеграції збільшує вплив провідних з’єднань на динамічні параметри схеми в цілому. Оцінка мінімальних розмірів напівпровідника залежить від величини дозволених затримок в схемі.

Обмеження на розміри біполярних елементів.

При зменшенні розмірів біполярних елементів необхідно зменшувати ширину областей об’ємного заряду швидкого p-n переходів (товщину p-n переходу), щоб виключити повне збіднення бази. Ширина збідненого шару: , зведена концентрація домішки, контактна різниця потенціалів.

Аналіз виразу показує, що зменшення розмірів в разів вимагає збільшення концентрації в разів. Але граничне зменшення товщини шарів біполярної структури визначається рівнем її легування (обмежене рівнем виродження напівпровідника; зменшує рухливість носіїв, збільшує струми втрат, зменшує пробивну напругу).

Збільшення концентрації домішки в базі знижує ефективність інжекції емітера, а значить коефіцієнт підсилення струму. Легування бази понад може призвести до появи тунельного механізму переносу носіїв між базою та емітером. Для таких структур ширина емітерного і колекторного переходів – 15 нм і 30 нм відповідно. У більш тонких структурах порушуються умови використання рівнянь, які описують роботу біполярного транзистора – це вже фізичні обмеження.

До схемо технічних обмежень можна віднести і значні розміри областей, які розділяють елементи в кристалі при збільшенні ступеня інтеграції. У методі роздільної дифузії обмеження визначаються шириною p-n-переходу, у методі ізоляції діелектриком – товщиною діелектрика, яка визначається пробивною напругою і тунельним ефектом.

Обмеження на розміри МОП-транзисторів.

Зменшення розмірів активного елемента необхідно здійснювати враховуючи принцип постійності напруженості електричного поля, оскільки ріст напруженості понад критичну призводить до виникнення гарячих носіїв струму, ударної іонізації, лавинному пробою, пробою діелектрика. Напруженість поля пробою . Intel перейшов до нового матеріалу – оксиду гафнія. Очевидно, що зменшення розмірів елементів в разів, необхідно з цим же коефіцієнтом зменшувати напругу живлення ІС. Однак, зменшення робочої напруги обмежено неусувними тепловими флуктуаціями, тобто фізичними обмеженнями.

Оцінимо мінімальну напругу живлення напівпровідника ІС. Енергія носіїв заряду .

Оскільки електрони знаходяться в тепловому русі, то імовірність того, що вони наберуть енергію , визначається розподілом Тібса:

.

Нехай імовірність помилки ( .

Тоді випливає, що . При , отже мінімальна напруга живлення 1В (при )

Тобто, фундаментальне обмеження на мінімальну напругу живлення визначає тепловий рух носіїв заряду.

Таким чином фундаментальними фізичними обмеженнями на зменшення розмірів є:

• мінімальна робоча напруга;

• статистична невизначеність параметрів наноелементів;

• теплофізичні характеристики;

• ефекти тунелювання носіїв заряду;

• квантово-розмірні ефекти.

– більш виражені КРЕ

Розмірні ефекти – це залежність фізичних характеристик твердих тіл від їх розмірів і форми.

У випадку, коли геометричні розміри тіла спів мірні з розмірами характеризую чого явища (для електронних явищ – з довжиною хвилі де Бройля) – мова йде про квантово-розмірний ефект (дебаївський радіус екранування, дифузійна довжина)