1.7. Физические ограничения размеров моп - транзисторов

Размер волны де Бройля для свободного электрона в зоне проводимости – 5 нм. Толщина подзатворного диэлектрика – SiO₂ не может быть менее 1 нм как по технологическим причинам (это два молекулярных слоя), так и по причине туннельных токов через диэлектрик. Сейчас технологический предел оценивается в 1,5 нм. Минимальная длина затвора определяется двумя эффектами: усилением транзистора и туннельным током сток - подложка. При высокой концентрации легирующей примеси в подложке туннельный ток будет сравним с током канала; при низкой концентрации – ОПЗ истока и стока перекрываются, напряжение сток-исток открывает p–n - переход истока и через подложку течет ток, ограниченный пространственным зарядом. Усиление транзистора при этом падает. При длине затвора 10 нм и прямом смещении изолирующего перехода исток - подложка еще можно получить усиление в МОП - транзисторе. Практический предел – 1520 нм.

Емкость затвора минимального транзистора (10 нм ∙ 10 нм) составит всего 210^-18 Ф. При рабочем напряжении 0,8 В и пороговом напряжении 0,2 В в канале находится не более шести электронов.

Ток в транзисторе будет меняться дискретно и статистически, так как заряд электрона дискретный. Высокий уровень дробовых шумов, связанных с дискретностью заряда, не позволит использовать максимальное быстродействие МОП - транзистора, определяемое емкостью затвора и крутизной ВАХ.

Статистическим распределением легирующей примеси в подложке под затвором определяется и воспроизводимость порогового напряжения. Для того же минимального транзистора в ОПЗ подложки под затвором будет в среднем пять легирующих атомов. Разброс порогового напряжения будет сравним с напряжением питания.

С уменьшением размеров и токов приборов повышается их чувствительность к космическим частицам и продуктам радиоактивного распада в материалах конструкции БИС. Схемными и конструктивными средствами избежать сбоев нельзя.

Контактные потенциалы в структуре не масштабируются, поэтому напряжение питания нельзя уменьшить менее 0,5 В.

Скорость распространения сигналов в проводниках ограничена скоростью света. В тонких проводниках микросхем ограничение R-L-C параметрами линии связи снижает эту скорость еще в несколько раз.

1.8. Прогноз предельных параметров моп-транзисторов

Специализация кремниевой технологии проявляется уже сейчас, однако, за рубежом 80 нм вероятно произойдет полное разделение технологических процессов для процессоров, памяти и мобильного оборудования с автономным питанием. Для скоростных процессоров допустимо применение сложных систем охлаждения и наличие токов утечки в КМОП - приборах. Прогноз предельных параметров приборов для процессов:

• рабочая температура 40С170С;

• напряжение питания 0,50,8 В;

• длина канала 1418 нм;

• толщина подзатворного окисла 1,01,2 нм.

В схемах памяти утечки не допустимы. Для накопителя и блоков управления будут использоваться транзисторы разных типов. Охлаждение тоже нежелательно. Прогноз параметров следующий:

• рабочая температура до 85С;

• напряжение питания 1,21,5 В;

• длина канала 4050нм;

• толщина подзатворного окисла 2,53,0 нм;

для портативного оборудования с автономным питанием:

• рабочая температура до 85С;

• напряжение питания 0,81,2 В;

• длина канала 2025 нм;

• толщина подзатворного окисла 1,51,8 нм.