[3] Проводниковые Материалы (987500), страница 3

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 3)

Однако существует достаточно четкая граница между раз­мером естественной природной единицы — атома и размерами, например, начиная с 1000 атомов, при которых описание мак­роскопических физических явлений перестает быть справедли­вым. Это молекулярная шкала. Несмотря на то, что природа при образовании живых клеток использовала широкий набор разнообразных и сложных связей именно на молекулярном уровне, человек не в состоянии повторить подобное конструиро­вание даже для более тривиальных целей. Это связано с непо­ниманием явлений, происходящих на молекулярном уровне и отсутствием их научной трактовки. Можно надеяться, что с по­мощью микроэлектронных приборов и устройств, работающих на известных принципах, в недалеком будущем можно будет понять эти явления, открывающие путь к освоению молекуляр­ной шкалы.

Любой прибор имеет свой набор ограничений на уменьше­ние размеров в зависимости от специфических особенностей функционирования, и поэтому нужно проводить отдельный ана­лиз каждого прибора. Ввиду того что в настоящем материале глав­ное внимание уделяется кремниевым планарным приборам в следующем разделе проведены качественный и количествен­ный анализы предельных размеров МОП-транзисторов, выте­кающих из специфики их функционирования, изготовления и использования. Возможности приборов других типов могут быть выяснены аналогичным путем.

Ограничения планарной технологии связаны с двумя областями. Первая относится к возможности формирования слоев заданной толщины с необходимыми химическими, физическими и поверхностными свойствами. Толщина слоев может контро­лироваться вплоть до атомных размеров. Свойства слоев определяют характеристики приборов и не могут быть рассмотрены в общем виде. Вторая область относится к фор­мированию рисунка в этих слоях при минимально возможных допусках. Ограничения такого рода являются наиболее об­щими и рассматриваются ниже.

3.4.2. Предельные размеры МОП-приботов

3.4.2.1. Законы подобия

Большие интегральные схемы на основе полевых МОП-тран­зисторов создаются на кремниевой подложке в виде металли­ческих, поликремневых и диффузионных проводящих слоев, разделенных изолирующими диэлектрическими слоями (рис. 3.4.1).

Если на затворе заряд отсутствует, то цепь сток—исток эквивалентна разомкнутому ключу. При наличии на затворе заряда, достаточного для того, чтобы напряжение затвор—исток V_gs превышало величину порогового напряжения V_th, ме­жду стоком и истоком под затвором возникает поток электронов. Принцип действия МОП-транзистора состоит в управле­нии потоком электронов между истоком и стоком с помощью заряда на затворе.

Для небольшого напряжения между истоком и стоком V_ds время пролета электрона от истока к стоку равно

τ=L/ν=L/(μE)=L²/(μV_ds) (3.4.1)

где ν —скорость электрона, μ,—подвижность в электрическом поле E=V_ds/L. Затвор, отделенный от подложки изолирующим материалом толщиной D, обладает емкостью

Cg=(εWL/D) (3.4.2)

Рис. 3.4.1. Структура МОП-транзистора и его схематическое изображение:a — МОП-транзистор; б—основные обозначения.

Заряд, переносимый во время пролета, и ток определяются соотношениями

Q=-C_g(V_gs-V_th)=-[(εWL)/D (V_gs-V_th) (3.4.3)

I_gs=Q/ τ =[(μ εW)/LD] (V_gs-V_th) V_ds (3.4.4)

Для малых величин V_ds прибор эквивалентен резистору (I_ds=const V_ds), управляемому напряжением затвора. Сопротив­ление резистора

R= V_ds /Ids=L²/μ C_g(V_gs-V_th) (3.4.5)

При работе транзистора вблизи порогового напряжения сопро­тивлений канала определяется выражением

R=R₀e^{-(Vgs-Vth) q/kT}

где Т — абсолютная температура, q — заряд электрона, k — постоянная Больцмана. Следовательно, при напряжениях ниже порогового значения проводимость (1/R) не равна нулю и зависит от напряжения на затворе и температуры в соответствии с формулой (3.4.6).

Рассмотрим последствия уменьшения геометрических разме­ров прибора в п раз (n>1). Величина n носит название масш­табного коэффициента. Новые размеры прибора равны

D'=D/n, L'=L/n, W'=W/n. (3.4.7)

Электрическое поле при уменьшении геометрических разме­ров не может быть увеличено, так как обычно рабочее напря­жение прибора близко к предельно допустимой величине, опре­деляемой пробоем или квантовомеханическим туннелированием. При постоянной напряженности поля рабочее напряже­ние

V'=V/n (3.4.8)

где V=V_gs—V_th. Из формул (3.4.1)—(3.4.4), (3.4.7) и (3.4.8) следует, что исходные физические величины изменяются в соответствии со следующими соотношениями:

τ'=1/μ*[(L/n)²/(V/n)]=1/μ*L²/(Vn)=τ/n (3.4.9)

C'=ε [(L/n) (W/n)/(D/n)]= ε LW/(Dn)=C/n (3.4.10)

I'= μ ε (W/n) (n/L) (n/D) (V/n) (V_ds/n)= μ ε V/(nLD)*V_ds=I/n (3.4.11)

Мощность переключения P_sw и мощность, потребляемая по по­стоянному току, определяются следующим образом:

P'_sw=C'V'²/(2 τ')=1/2 (C/n) (V/n)²(n/τ)=P_sw/n² (3.4.12)

P'_dc=I'V'²= (I/n) (V/n)=P_dc/n² (3.4.13)

Энергия переключения становится равной

E'_sw=1/2*C'V'²=1/2* (C/n) (V/n)²= E_sw/n³ (3.4.13)

Величина постоян­ного тока является главным препятствием на пути получения субмикронных размеров. Металлические проводники имеют очень высокую плотность тока, ограниченную явлением элект­ромиграции. Электромиграция представляет собой процесс диф­фузии, при котором атомы твердого тела перемещаются из од­ного положения в другое под действием электрических сил. Это явление ограничивает максимальный ток, который может про­пускать проводник без быстрого разрушения. Плотность тока в алюминиевых проводниках интегральных микросхем не мо­жет быть больше 10⁶ А/см². Электромиграция ограничивает не минимальные размеры прибора, а число схемных функций, ко­торые могут выполняться в единицу времени заданным числом функциональных элементов. Таким образом, подобное огра­ничение является системным ограничением.

3.4.2.2 Фундаментальные физические ограничения

Ограничения, связанные с основными физическими законами, называются фундаментальными ограничениями. Эти огра­ничения имеют отношение главным образом к энергетическим явлениям, имеющим место в квантовой и статистической фи­зике.

Квантовые ограничения

Основное положение квантовой физики состоит в том, что любое физическое измерение, выполненное за время ∆t, должно приводить к изменению энергии

∆E≥ħ∆t (3.4.15)

где ħ= 1,05 –10^-34 Дж*с/рад=h/2π, h—постоянная Планка. Эта энергия выделяется в виде тепла. Величина рассеиваемой во время измерения (переключения) мощности равна

P = ∆E/∆t ≥ ħ∆t² (3.4.16)

и может рассматриваться как нижний предел мощности рас­сеяния на одну операцию. Используя соотношение (3.4.15), можно получить, что мини­мальная энергия переключения на одну операцию имеет поря­док 2*10^-25 Дж. В МОП-транзисторах энергия переключения составляет 10^-13 Дж, что на много порядков больше кванто­вого ограничения.

Туннелирование

Если очень тонкий (1—10 нм) изолятор расположен между двумя проводниками, затухание волновой функции электрона на одной стороне недостаточно, чтобы получить ее нулевую амплитуду на другой стороне. Это соответствует конечной ве­роятности прохождения электрона через диэлектрик посредст­вом квантовомеханического процесса туннелирования. В этом случае ток может протекать через запрещенную (с классиче­ской точки зрения) зону.

В случае МОП-транзистора этот «туннельный ток» должен быть гораздо меньше любого из токов, соответствующих нор­мальному функционированию прибора. Поэтому рассматривае­мый квантовый эффект накладывает фундаментальные ограни­чения на толщину окисла под затвором и ширину области обед­ненного слоя (10^-3 мкм). Уже достигается толщина окисла под затвором 10^-2—10^-3 мкм, т. е. очень близко от фундаментальной предельной величины.

Ограничения, связанные со свойствами материалов

Пробивная напряженность поля, концентрация примесей, плотность дислокации и электромиграция также накладывают определенные ограничения на работу приборов. Пробой диэлектрика ограничивает электрическое поле в полупровод­нике и, следовательно, влияет на минимальные размеры прибора и величину его быстродействия. Если электрическое поле в полупроводнике превышает критическое значение (Е_c=3*10⁵ В/см в кремнии), то вследствие лавинного пробоя на­ступает резкое возрастание тока.

В общем случае пробивное напряжение не является посто­янной величиной, а зависит от уровня легирования и профиля легирующей примеси в переходе. При высоком легировании пробой носит туннельный, а не лавинный характер.

Для определения набора ограничений, связанных со свой­ствами материала, рассмотрим максимальное время распрост­ранения сигнала в кремниевом образце, имеющем форму куба с ребром ∆z. Потенциал и линейная координата определяются следующими формулами:

∆V=E∆z (3.4.17)

∆z=v_макс∆t (3.4.18)

При ∆V=kT/q, E_макс≈3* 10⁵ В/см и v_макс=8*10⁶ см/с получаем значение минимального времени пролета

∆t_мин =(kT/q)/( E_макс v_макс) (3.4.19)

Таким образом, критическое пробивное напряжение, определяе­мое свойствами кремния, ограничивает минимальное время пролета величиной 10^-14 с.

Ограничения, связанные с функционированием приборов

Ограничения, связанные с функционированием приборов, зависят от таких характеристик, как напряжение включе­ния/выключения, коэффициент усиления, полоса пропускания, температурный диапазон и т. п. Рассмотрим для примера про­водимость канала (1/R) МОП-транзистора при работе вблизи порогового напряжения. Если напряжение на затворе не­сколько ниже напряжения порога, то проводимость в действи­тельности не равна нулю и может быть определена из соотно­шения (3.4.6)

1/R=1/R₀e^{(Vgs-Vth)/kT/q})

Для комнатной температуры kT/q=0,025 В. Если V_th=1 В и V_gs=0,5 В, то проводимость канала уменьшается в 2*10⁸ раз. Однако если линейные размеры и напряжения уменьшаются с масштабным фактором, равным 5, то проводимость изменя­ется только в 1,8*10² раз. Таким образом, подобный транзис­тор обладает большой утечкой. Эта проблема устраняется лишь в случае работы транзистора при температуре ниже комнат­ной, когда уменьшается величина kT/q.

Вследствие тепловых флуктуации МОП-транзистор может случайно переключаться из проводящего состояния в непрово­дящее и наоборот. Число сбоев за счет тепловых флуктуации в секунду на один прибор равно

(1/τ)ехр(Е_sw/kT) (3.4.21)

где E_sw — работа переключения. Для заданного среднего вре­мени между последовательными сбоями Т΄ соотношение (3.4.21) дает следующие условия для работы переключения:

E_sw≥kTln(T'/ τ) (3.4.22)

Обычно Т' порядка нескольких часов, а τ –10^-10 с. В этом слу­чае ln (T'/ τ)~30 и .E_sw/q~V_sw~0,75 В для одного прибора. Для уменьшения частоты сбоев, возникающих из-за тепловых флуктуации, до нужного уровня, необходимо увеличить работу переключения E_sw.

Интересно отметить, что энергия возбуждения человече­ского нерва имеет порядок нескольких kT, а обработка инфор­мации в биологических системах характеризуется энергией E_sw~20 kT, т.е. имеет примерно ту же величину, что и в МОП-транзисторах.

Ограничение, связанное с тепловыми флуктуациями, носит общий характер, и его необходимо учитывать при анализе всех микроэлектронных приборов и систем. По этой причине рабо­чее напряжение приборов должно во много раз превышать ве­личину kT/q.

Помимо этого, приборы имеют схемные и системные огра­ничения. Эти ограничения связаны с оптимальным внешним и внутренним разбиением на подсистемы, мощностью рассеяния и архитектурой чипа. Все эти вопросы детально изложены в классической работе, посвященной проектированию сверх больших интегральных схем (СБИС).

Основываясь на законах подобия и фундаментальных физи­ческих ограничениях, можно прогнозировать создание в буду­щем МОП-транзисторов с длиной канала примерно менее 0,25— 0,5 мкм и плотностью тока, в 10 рад большей чем у современ­ных приборов. Разработка более миниатюрных приборов тре­бует снижения рабочего напряжения и температуры, при кото­рой работают транзисторы- Наконец, из-за туннельного эф­фекта толщина диэлектрика должна быть больше 5 нм.

Для количественной оценки преимуществ, получаемых за счет улучшения параметров при миниатюризации приборов, на рис. 3.4.2 показана зависимость мощности рассеяния, приходя­щейся на 1 бит, от времени пролета. Улучшение рабочих ха­рактеристик МОП-транзисторов при уменьшении длины канала от 5 до 0,5 мкм иллюстрируется диагональными линиями. На рис. 3.4.2 показаны также пределы, связанные с фундаменталь­ными (ћ/τ) тепловыми ограничениями и свойствами материа­лов.

Р
ис. 3.4.2. Мощность рассеяния и время пролета в кремниевых приборах.

3.4.3. Ограничения процессов литографии

Характеристики

Список файлов учебной работы