2.7. 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.

2.8. Компромиссы миниатюризации

В процессе проектирования типичной является ситуация, когда улучшение одних функциональных характеристик (например, быстродействия) негативно сказывается на надежности приборов и некоторых других функциональных характеристиках. Например, высокое быстродействие требует высоких значений электрических полей, что приводит к ряду нежелательных эффектов.

Во-первых, растут токи утечки (через затворный изолятор и между стоком и истоком, стоком и подложкой). Во-вторых, возникает эффект износа подзатворного окисла, что приводит к резкому увеличению токов утечек через подзатворный изолятор и к его пробою. В-третьих, высокие электрические поля приводят к снижению времени жизни приборов из-за деградации горячими носителями, возникающими в канале в сильном поле между стоком и истоком.

Другая проблема состоит в дилемме − высокое быстродействие или низкое динамическое энергопотребление. Для того чтобы уменьшить время переключения (т.е. увеличить тактовую частоту и быстродействие), нужно увеличить максимальные токи и, соответственно, энергопотребление.

2.9. Ограничения масштабирования

Сформулированы два вида ограничений при масштабировании МОПТ. Первый вид ограничений связан с необходимостью снижения токов утечки и объясняется следующими причинами: снижением порогового напряжения при уменьшении длины канала, смыканием ОПЗ областей стока и истока в объеме подложки (прокол), туннелированием носителей между областями стока и подложки при высокой напряженности электрического поля в области перекрытия стока затвором (GIDL - эффект), лавинным пробоем р-п перехода сток- подложка.

Второй вид ограничения масштабирования вызван необходимостью обеспечения надежного функционирования ИС в течение заданного срока службы приборов. Он связан с воздействием горячих носителей и зависимым от времени пробоем подзатворного диэлектрика.

Пределы масштабирования диктуются постоянством фундаментальных и технологических характеристик материала, большинство из которых не поддаются масштабированию. Это, например:

ширина запрещенной зоны кремния (ограничивает снизу пороговое напряжение, ширину обедненной области);

эффективная масса носителей (ограничивает сверху подвижность, скорость насыщения и быстродействие);

внутренние характеристики материалов − например, поле в подзатворном окисле SiO₂ не может превышать максимальное напряжение пробоя окисла (~ 10⁷ В/см).

Другой причиной ограничения масштабирования являются некоторые фундаментальные законы, лежащие в основе работы прибора. Например, подпороговые токи утечки между стоком и истоком определяются больцмановской статистикой надбарьерного перехода носителей между стоком и истоком и, вообще говоря, не зависят от геометрических размеров приборов. Паразитные туннельные токи при масштабировании даже возрастают (лекция 7).

Кроме того, при малых размерах начинает работать геометрический фактор, связанный с ухудшением электростатического контроля заряда в канале зарядом на затворе. Это является следствием нарушения планарности и проявлением трехмерности уравнения Пуассона, что приводит к появлению паразитных короткоканальных эффектов (лекция 5).

Возрастание последовательных паразитных сопротивлений истоков/стоков (S/D) – уменьшение максимального тока. Возможное решение состоит в использовании металлических контактов в качестве стоков и истоков (лекция 5).

Обеднение затвора приводит к падению потенциала на затворе и выражается в уменьшении эффективной затворной емкости. Возможное решение состоит в использовании металлических затворов вместо поликремниевых (лекция 3).

Уменьшение размеров и использование нетрадиционных изоляторов уменьшает подвижность. Возможное решение состоит в использовании для увеличения подвижности Si/Ge сплавов и слоев напряженного кремния (лекция 4).