2.2. Закон Мура

Огромным преимуществом КМОП технологии является возможность масштабного уменьшения геометрических размеров микроэлектронных компонентов с сохранением электрических и улучшением функциональных характеристик отдельных приборов и всей схемы в целом (масштабирование, или размерный скейлинг - scaling).

С момента создания первой ИС в течение нескольких десятилетий размеры всех её элементов и расстояния между ними постоянно уменьшались, а архитектура и структура самого МОП – транзистора при этом практически не менялись. Это позволяет:

1. разместить на той же площади большее количество активных элементов;

2. повысить быстродействие за счет уменьшения времени переноса носителей через активные области и межсоединения;

3. увеличить число транзисторов на пластине, обрабатываемых в одном технологическом цикле и, как следствие, снизить стоимость каждого из них, и уменьшить разброс их параметров;

4. уменьшить вес и габариты аппаратуры.

Анализ эмпирических тенденций первых 5 лет развития интегральной технологии позволил Гордону Муру (рис. 2.1) сформулировать в 1965г. некоторую закономерность, впоследствии получившую название закона Мура.

Рис. 2.1.

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 - scaling).

Рис. 2.2. 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 полувека (рис. 2.2).

Сложившиеся в настоящее время (к 2017г) тенденции масштабирования ИС могут быть сформулированы (с определенной степенью точности) следующим образом:

- новое поколение технологии появляется через каждые три года (ранее через каждые два года);

- за каждые два поколения технологии (то есть за 6 лет) минимальный характеристический размер уменьшается в два раза, а плотность тока, 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 < 145мм² для устройств ДОЗУ и < 310мм² для микропроцессоров. В настоящее время (2017г.) на одном чипе располагается несколько миллиардов транзисторов. Ожидается, что в 2017г. количество транзисторов на одном чипе будет составлять ~ 10 млрд.