Пределы микроминиатюризации

К числу факторов, весьма существенных с точки зрения реализации интегральных схем со сверхвысокой степенью интеграции, относятся усовершенствование параметров, увеличение площади кристалла кремния и уменьшение размеров устройства. Уменьшение размеров не может быть бесконечным.В устройствах с МОП структурой длина канала не может быть равной нулю. Обычно для цифровых схем устанавливаются два стандартных значения, которым соответствуют сигналы, определяющие некоторые физические величины и выражающиеся с помощью несовпадающих значений токов или напряжений. На выходе ИС должны вырабатываться сигналы с заданными параметрами. Размеры ИС, при которых выполнение этого требования оказываются невозможными, определяют предельную степень миниатюризации.

Предельная степень миниатюризации определяется несколькими физическими факторами, которые подразделяются на факторы, имеющие отношение к характеристикам устройства и факторы, имеющие отношение к технологии изготовления.

Минимально допустимые напряжения и токи в ис.

 При фиксированном напряжении минимальный размер элемента (толщина подзатворного диэлектрика, толщина обедненного слоя, толщина базы  и т.п.) определяется пробоем материала. Пробивная напряженность поля фиксирована 100 –1000 ^кВ/см . Желательно снижать напряжение, приложенное к элементу ИС. Но снижение напряжения ограничено тепловыми флуктуациями.

Оценим минимально допустимое напряжение питания полупроводниковой ис.

Пусть E энергия, которую носители заряда должны преодолеть, чтобы переключить цепь. E=qU, где U – напряжение источника питания схемы.

Носители заряда находятся в тепловом движении. Вероятность Wп того, что они наберут в процессе теплового движения энергию Еп , определяется распределением Максвелла-Больцмана :

Положим, приближенно, что состояние с Eп = 0 осуществляется с вероятностью ≤ 1. Поэтому можно принять, что Ап = 1. Таким образом, вероятность, того, что цепь переключится в результате теплового движения :

,

при T = 300 К фи_Т = 0.025 В.

Пусть в ИС 10⁸ элементов, каждый из них может переходить в новые состояния 10⁹ раз в секунду. Потребуем теперь, чтобы в течение 3,610³ секунд (60 мин) в среднем только в одном элементе при одном переключении может произойти сбой. Тогда :

=2,710^-21

Возвращаемся к распределению Максвелла-Больцмана:

=2,710^-21

Отсюда вытекает требование к напряжению питания:

U= - φ_Тln(2,710-21) = 1,18 В

Для простоты можно принять, что напряжение питания должно быть ≈ 1В.

Ухудшение изоляционных свойств.

По мере уменьшения размеров БИС значение напряженности электрического поля, в котором находятся полупроводниковые материалы и изолирующие пленки, возрастает.

Электрическая прочность термического окисного слоя может превышать 10⁷ В/см. Пусть предельное напряжение пробоя Е_пред≈ 10⁷ В/см. Тогда средняя толщина диэлектрика, устойчивого к пробою при U = 1 В составит:

= =1 нм.

Но при такой толщине подзатворного диэлектрика проявляется туннелирование носителей заряда через диэлектрик. Величина туннельного тока может достигать десятков процентов от тока стока МОП транзистора. Это приводит к большому тепловыделению в кристалле БИС.