4.2. Ограничивающие технологические факторы в микроэлектронике

Теплоотвод. Кпд активных элементов всегда естественно меньше 100%. Это означает, что часть энергии источников питания превращается в тепло, ко­торое рассеивается в окружающее пространство и расходуется на разогрев са­мой микросхемы, в результате чего меняются её эксплуатационные параметры и условия функционирования. Уменьшение размеров элементов приводит к возрастанию плотности тока и концентрации мощности. При этом снижается надёжность работы активных элементов, растёт вероятность их отказов или разрушения. Пока степень интеграции невысока, специальные меры по отводу тепла могут быть достаточно эффективными. При степени интеграции, исчис­ляющейся в миллионах условных транзисторов, эти действия могут не спасти микросхему от гибели. К тому же, с ростом отдаваемой мощности быстро сни­жается входное и выходное сопротивление транзистора (до десятых и сотых Долей Ом), что, по сути, равноценно развалу структуры транзистора и приводит ^к падению коэффициента усиления. Основной способ преодоления этих за-труднений (но не радикальный) - бескорпусные приборы или приборы в пласт­массовых корпусах.

Точность изготовления фотошаблонов и масок. Современная микро-^ЗЛектроника базируется, в основном, на планарной технологии. Поэтому про-^Цзсс контактной или проекционной фотолитографии является наиболее распро-^с'Раненным способом создания необходимой топологии микрорельефа на при-

40

41

борной стороне пластины, а его разрешающая способность и точность изготов­ления масок и фотошаблонов являются определяющими факторами.

Разрешающая способность определяется числом линий на миллиметр Например, в любительской кинокамере - это 40 - 50 линий на мм. При длин< волны ультрафиолетового (обычно применяемого) излучения 0,4 - 0,5 мкм раз­решение можно довести до 1000 мм"¹. Предел разрешающей способности здес! ограничивается эффектами дифракции светового луча на границах окон фото­шаблонов и масок.

По критерию Рэлея разрешающая способность:

Ц™=1,22Ш) (4.1]

где X - длина волны, т'-фокусное расстояние, а О-диаметр зрачка объектива (обычно около 1см).

Расчёт показывает, что Ь_Ш1_Пи 5000 мм"'.

Поэтому для литографии начинают использовать электронные пучки и мягкое рентгеновское излучение.

При повышении степени интеграции и использовании более коротковол-

0 О

новых излучений (электронное X ~ ОД А, рентгеновское X ~ 10 А) не удаётся снизить топологический размер ниже уровня 0,25 мкм. Достижение в будущем уровня 0,18 - 0,05 мкм будет,вероятно,возможным при использовании в каче№ ве активных элементов не традиционных транзисторов, а оптронов или прибо­ров Джозефсона.

В настоящее время осуществляется повсеместный переход на новые ли­тографические процессы с использованием наиболее коротковолнового диапа­зона УФ- и рентгеновского излучения, а также с применением безмасочной электронно-лучевой литографии.

Межсоединения и межслойная изоляция. Совершенно ясно, что по мера уменьшения габаритов активных и пассивных элементов и увеличения их числ^ до миллионов весьма резко возрастает вероятность некачественной или непра; вильной трассировки межсоединений и ненадёжность межслойной изоляпш] этих элементов. Но даже одна ошибка в проектировании или изготовлени микросхемы может нарушить всё её функционирование. Площадь, занимаем межсоединениями и изоляцией, подчас сравнима с площадью активных и па сивных элементов. В повышении надёжности межсоединений и межслойно: изоляции определяющую роль играют такие факторы, как оптимальный выбо] материала, использование машинных методов топологического проектирова-ния, диагностика и контроль.

Таким образом, современная микроэлектроника практически вышла в такой уровень, когда дальнейшее увеличение числа элементов в микросхем! становится технологически трудно достижимым.

43- Противоречия "частота — мощность", "память - быстродействие"

Эти противоречия носят принципиальный характер, их физическая при­рода не определяется конструкцией, уровнем технологии и габаритами прибо­ра, хотя некоторым образом с ними связана.

В целом, разработчики полупроводниковых приборов и микросхем все свои усилия направляют на повышение степени интеграции, снижение потреб­ляемой мощности, повышение частотных пределов работы приборов, увеличе­ние их быстродействия, повышение объёмов памяти и т.д.

Однако, надо принимать во внимание, что эти показатели взаимозависи­мы, и зачастую попытки одновременного их улучшения в рамках сложившихся технологий и конструкций наталкиваются на непреодолимые трудности.

Как известно, инерционность физических процессов в диоде и транзисто­ре обусловлена диффузией, дрейфом и рекомбинацией неравновесных носите­лей заряда, а также перезарядкой барьерных ёмкостей переходов. Следователь­но, при создании ВЧ- и СВЧ-приборов необходимо "сжимать" до минимума пролётные расстояния, а также уменьшать вклад паразитных КС-параметров, что достигается уменьшением площади структуры. Таким образом, микроми­ниатюризация в целом способствует повышению предельных частот активных элементов.

Однако, отвод тепла от активной области в этом случае сильно затрудня­ется, так как резко возрастают тепловое сопротивление от места нагрева к ра­диатору и соответствующие потери тепла, а, следовательно, снижается кпд прибора.

В этих условиях необходимо уменьшить джоулевы теплопотери за счёт уменьшения плотности тока. Для этого приходится улучшать условия теплоот-вода путём увеличения площади структуры, т.е. идти на уменьшение степени интеграции.

Рабочая мощность из-за увеличения площади и толщины рабочих слоев возрастает, но рабочие частоты при этом резко падают.

Таким образом, проявляется противоречие "частота-мощность". Практи­чески это противоречие приводит к тому, что существует два "полюса" в клас­сификации полупроводниковых приборов и микросхем: 1) мощные низкочас­тотные и 2) маломощные высокочастотные и сверхвысокочастотные.

Транзисторы в диапазоне частот 50 - 500 МГц отдают мощность 25 - 50 ^т'^{а на} частотах 1-4 ГГц эти мощности снижаются до 1 - 3 Вт.

Одной из основных характеристик ИМС, широко применяемых в ЭВМ,

'яется время переключения логического элемента т из состояния "1" в "О" и

Р"Шо. Затрачиваемая на это мощность Р для данного вида ИМС связана с т

симостью Рт = сот*. Отсюда следует, что для увеличения быстродействия

'еских элементов необходимо повышать рассеиваемую ими мощность. Но

чей ^П|^{ЭИВОДИТ к} увеличению габаритов активных элементов, т.е. опять-таки эти

вы ^{ВИЯ вст}Упают в противоречие с тенденцией к микроминиатюризации и по-

' ^шению степени интеграции.

42

43

Повышение степени интеграции крайне необходимо, так как увеличение числа элементов приводит к увеличению объёмов памяти. Однако при этом од­новременно увеличивается число межсоединений и контактов, возникают пара­зитные ёмкости в межсоединениях, что вызывает задержки при переключениях сигнала и в целом снижает быстродействие микросхемы или микропроцессора.

Таким образом, существует ряд объективных противоречий при конст­руировании и функционировании микросхем, которые частично преодолевают­ся повышением уровня технологии, но принципиально устранены быть не мо­гут.