С3.1.3.2 Вторичные немасштабируемые факторы

Так как порог не масштабируется, уровень напряжения питания не может уменьшаться так же сильно, как линейные размеры, и электрическое поле в результате возрастает. Это инициирует несколько вторичных немасштабируемых эффектов. Во-первых, в наших рассуждениях до сих пор неявно предполагалось, что подвижность носителей постоянна, не зависит от масштабирования. Однако, как обсуждалось в лекции 4, подвижность падает с ростом электрического поля:

,см²/Вс (С3.11)

для . После подвижность уменьшается даже быстрее, вследствие рассеяния на шероховатостях поверхности. Так как электрическое поле неизбежно возрастает при масштабировании, подвижность носителей деградирует в масштабированных МОПТ. В результате и ток, и задержка улучшаются в меньшей степени, чем это следует из обобщенного масштабирования (Табл.С3.3). Кроме того, высокие поля создают тенденцию переводить работу прибора в режим насыщения скорости. Это означает, что рост тока и улучшение задержки ближе к колонке с насыщением скорости (правая колонка) в Табл.С3.3, и получается мало пользы от работы даже при высоких полях или напряжениях.

Наиболее серьезными проблемами, связанными с более высокой напряженностью поля, являются надежность и мощность. Плотность мощности растет с коэффициентом от до , как обсуждалось выше. Проблема надежности возникает вследствие высоких полей в окисле, более высоких полей в канале и более высоких плотностей токов. Даже при условии полной скорости насыщения, плотность тока растет как . Это обостряет проблему электромиграции в алюминиевых линиях, которая уже становится серьезной при масштабировании с постоянным полем. Высокие поля приближают окисел ближе к условию пробоя, делая трудным поддержание целостности окисла. В действительности, для того, чтобы обуздать возросшие поля в окисле, толщина окисла сокращается меньше, чем горизонтальные размеры прибора, то есть длина канала, как очевидно из таблицы С3.2. Это значит, что концентрация примеси в канале должна возрастать быстрее, чем следует из таблицы С3.3, чтобы держать ККЭ, выражение (С3.7), под контролем. Другими словами, максимальная толщина обедненного слоя под затвором должна быть сокращена больше, чем толщина окисла . Это запускает другой набор немасштабируемых явлений, включая подпороговый наклон , и чувствительность по подложке , выражение (3.3.3).

С3.1.3.3 Другие немасштабируемые факторы

На практике имеется еще другой набор немасштабируемых факторов, с которыми сталкиваются в эволюции КМОП технологии. Один из видов немасштабируемых факторов связан с уровнями легирования затвора и сток-истоковых областей. Если они масштабируются не должным образом, то могут привести к обеднению затвора и проблемам с последовательным сопротивлением сток-исток. Обеднение затвора добавляет емкость последовательно с емкостью окисла . Так как возрастает с коэффициентом , в то время как остается неизменным при масштабировании с постоянным полем, должно также увеличиваться в раз, чтобы сохранить в соответствии с . При обобщенном масштабировании должно возрастать еще сильнее (в раз). На практике это сделать нельзя из-за ограничения, обусловленного предельной растворимостью примеси. Полная емкость затвора тогда масштабируется меньше, чем , приводя к деградации плотности инверсного заряда и крутизны характеристики. Подобным же образом трудно масштабировать уровень легирования областей стока и истока и сделать профиль более резким, в то же время уменьшая глубину переходов. На практике последовательное сопротивление областей исток-сток не уменьшается пропорционально сопротивлению канала. Это вызывает уменьшение рабочего тока, так как паразитная компонента становится значительной частью общего сопротивления в масштабированном приборе.

Другой класс немасштабируемых факторов возникает из-за допусков процесса. Полное преимущество масштабирования не может быть реализовано, если все допуски процесса не сокращаются с тем же коэффициентом, что и параметры прибора. Это включает допуск длины канала, допуск толщины окисла, допуск порогового напряжения и т.д. Ключевое требование и проблема в СБИС технологии – сохранить допуски в том же процентном отношении к параметрам прибора, когда размеры уменьшаются. Это может быть главным фактором в стоимости производства, так как требует контроля нескольких сотен ангстремов длины канала или нескольких атомных слоев окисла затвора.