Лекция5_Micro

Масштабирование, микроминиатюризация и
физические ограничения в полупроводниковой
микроэлектронике
Эволюция базовых элементов кремниевых
интегральных схем
МОП транзистор
Схема МОП транзистора
КМОП транзистор
Технология производства комплементарных МОП транзисторов заключается
в формировании n- и p- канальных транзисторов на одном кристалле
Затвор
Al
(поликристаллический
кремний)
SiO2
КМОП транзистор
Инвертор на основе
КМОП транзистора
Топология КМОП
инвертора
p
p+
n+
КМОП транзистор
Металлические
межэлементные
соединения уровня M1
Контакты
КМОП СБИС
Слой M5 (толщина 1900 нм)
Уровень базового матричного
кристалла
Слой M4 (толщина 1325 нм)
Слой M3 (толщина 900 нм)
Слой M2 (толщина 900 нм)
Уровень логических элементов
Слой M1 (толщина 480 нм)
Транзисторный уровень
Поперечный разрез КМОП ИС. На рисунке показаны пять соединительных
металлических слоев, связывающих между собой элементы схемы.
КМОП транзистор
Технология производства комплементарных МОП транзисторов заключается
в формировании n- и p- канальных транзисторов на одном кристалле
Затвор
Al
(поликристаллический
кремний)
SiO2
Обобщенный размер для проектирования топологии
2λ
λ =2,5 δ
δ - предельное
разрешение литографии
2λ
Топология контактной маски
Масштабирование МОП
Как следует изменить
параметры геометрии и
режима, чтобы при
уменьшении размера
сохранить условия работы?
Сечение канала уменьшается в М 2 раз, длина в М раз. Чтобы
сохранить проводимость, надо увеличить концентрацию носителей
в М раз.
При том же тянущем поле в канале напряжение питания UDS
должно уменьшиться в М раз.
Напряжение переключения
VT  VT1  VT 2
напряжение в
подзатворном
диэлектрике
VT1 
напряжение,
создающее
инверсный канал
Qox
N ed
N eS
1
 B
 B ox 
Cox  S
0
M
0
d ox
VT 2  ms  20
При достаточной миниатюризации VT2 преобладает
Масштабирование МОП
Длина канала L
1/M
Ширина канала Z
1/M
Толщина оксида dox
1/M
Глубина p-n перехода hj
1/M
Концентрация примеси Nпр
Напряжение питания UDS
Напряжение переключения VT
M
1/M
1
Результат масштабирования
Электрическое поле в оксиде Eox
Коэффициент
масштабирования
1
Ширина ОПЗ Loj
1/M
Емкость затвора Cox
1/M
Задержка сигнала tзр
1/M
Мощность постоянного тока Pстат
1/M 2
Динамическая мощность Pдин
1/M 2
Фактор качества F=Ptзр
1/M 3
Площадь затвора Aзат
1/M 2
Плотность тока J
M
Плотность мощности P/A
1
Сопротивление межсоединений r
M
Постоянная времени межсоединений
1
Падение напряжения на линии
1
Масштабирование биполярных транзисторов
Значительное уменьшение
размеров биполярных
транзисторов невозможно
Зависимость вероятности отказа
транзистора (p1) и чипа (pCHIP) от
размера эмиттера при отказе каждого
2-го, 4-го, 8-го, 16-го и одного
разряда в чипе ИМС
Эволюция размеров и микроминиатюризация параметров
МДП-приборов
Параметр прибора
Длина канала L, мкм
n-МОП с
обогащенной
нагрузкой
1972
Высококачественный
МОП
1979
МОП
МОП
МОП
1980
1989
2000
1–0.6
0.13
Коэффициент
изменения
M –1
6
3,5
2
Поперечная диффузия LD, мкм
1,4
0,6
0,4
Глубина p-n переходов x, мкм
2,0
0,8
0,8
Толщина затворного окисла dox, нм
120
70
40
Напряжение питания Vпит, В
4–15
3–7
2–4
M –1
Минимальная задержка вентиля τ,
нс
12-15
1
0,5
M –1
Мощность на вентиль P, мВт
1,5
1
0,4
M -2
Произведение быстродействия на
мощность, пДж
18
1
0,2
M –3
M –1
20
0.07–0.13
M –1
10
M –1
Уменьшение длины канала
Год
Тех.процесс
Длина затвора
1993
0,50
0,50
1995
0,35
0,35
1997
0,25
0,20
1999
0,18
0,13
2001
0,13
0,07
2003
0,09
0,05
2005
0,065
0,035
2007
0,045
0,025
Уменьшение размеров транзистора
10
Длина
канала,
мкм
1
0,1
65nm
35nm
0,01
1970
1980
1990
2000
2010
2020
Зàêîí Ìóðà
В 1965 году Гордон Мур обнаружил, что емкость каждой новой
микросхемы памяти удваивается по сравнению с ее
предшественницей, а сама новая микросхема появляется каждые
18-24 месяца.
Отсюда следовал вывод, что производительность компьютеров
будет увеличиваться экспоненциально по времени (и так оно и
происходит до сих пор).
Этот закон описывает не только рост емкости оперативной
памяти, он часто используется для определения степени роста
быстродействия процессоров и емкости жестких дисков.
За 26 лет количество транзисторов процессора увеличилось в 18
тыс. раз: от 2,3 тыс. в процессоре 4004 до 140 млн. в Pentium III
Xeon. В 2007 году Intel выпустил процессоры с рабочей частотой
свыше 20 ГГц, содержащие более миллиарда транзисторов.
Микроминиатюризация процессоров Intel
Модель
4004
8008
8080
8086
286
386
486DX
Pentium
Pentium II
Pentium III
Pentium 4
Pentium D
Год выпуска
Транзисторы
Тех.процесс
Тактовая частота
1971
2 250
10 мкм
108 kHz
1972
2 500
10 мкм
200 kHz
1974
5 000
6 мкм
2 MHz
1978
29 000
3 мкм
5 – 10 MHz
1982
120 000
1,5 мкм
6 – 12,5 MHz
1985
275 000
1,5 – 1 мкм
16 – 33 MHz
1989
1 180 000
1 – 0,6 мкм
25 – 100 MHz
1993
3 100 000
0,8 – 0,35 мкм
60 – 200 MHz
1997
7 500 000
0,35 – 0,25 мкм
233 – 450 MHz
1999
24 000 000
0,25 – 0,13 мкм
450 – 1300 MHz
2000
42 000 000
0,18 – 0,13 мкм
>1400 MHz
2005
250 000 000
0,09 мкм
3800 MHz
Микроминиатюризация процессоров Intel
Физические ограничения микроминиатюризации
Параметр
Физическое ограничение
Минимальная величина
одного элемента, 30 нм
Статистические флуктуации легирования
подложки, разрешение фоторезиста,
космические лучи и радиоактивность, конечная
ширина p-n перехода
Толщина подзатворного
диэлектрика, ~1 нм
Туннельные токи через диэлектрик
Минимальное управляющее
напряжение 0,025 В
Тепловой потенциал kT/q
Минимальный ток
3·10-9 А при f = 1 ГГц
Дискретность заряда электрона, флуктуации
встроенного заряда: I  10 I , I 2  2eI f
min
s
s
Минимальная мощность, 10-10 Тепловые
шумы: 2
Pn 14kT f
2
I

2
eI

f
I

4
kT
R f
Вт/элемент при f = 1 ГГц
Предельное быстродействие,
0,1 нс (10 ГГц)
Скорость света: τ = (размер кристалла)/nс;
Перезарядка емкостей соединений и контактов
Размер:
Постоянная решетки кремния 0.54 нм
В минимальном размере а = 30 нм содержится 60 ячеек;
В минимальном объеме а3 = 2.7·104 нм3 = 2.7·10–17 см3
содержится 603 = 2·105 ячеек;
Предельное легирование (вырождение) NA = 3,8·1018 см–3;
При этом в объеме а3 содержится около n = 100 атомов
примеси.
Флуктуации: ~ n = 10 атомов
Мощность тепловых шумов:
4kT·Δf = 4·0.025 эВ·109 Гц = 1.6 ·10–11 Вт
Дробовые флуктуации тока:
2е·Δf = 2 · 1.6·10-19 Кл · 109 Гц = 3.2 ·10–10 А
Физические ограничения микроминиатюризации
Параметр
Максимальное напряжение
питания
Физическое ограничение
Пробой подзатворного диэлектрика,
смыкания областей истока и стока
Максимальное легирование Туннельный пробой p-n перехода стока;
подложки
образование примесной зоны
Максимальная плотность
тока
Электромиграция, падения напряжения на
паразитных сопротивлениях контактов
Максимальная мощность
Теплопроводность подложки и компонентов
схемы
Количество элементов на
кристалл, 109
Совокупность всех ранее перечисленных
ограничений + минимальное тепловыделение
~ 10–13 Дж/бит
1 ГГц процессор производит 50 Вт/см2,
электроплита 10 Вт/см2
Быстродействие мини-транзисторов
1 M 
L
L2
1


 [ ]
 [ ]
др nVDS
M
1 M 
2
Пусть величина подвижности  =500 см2/(В ·с), длина канала L = 20 нм =
2·10– 6 см, напряжение питания VDS = 1 В.
Постоянная времени составляет величину порядка  макс = 10–14 c = 0.01 пc.
Быстродействие одного транзистора не ограничивает быстродействия
процессора.
Более важно - взаимосвязи между элементами.
Время прохождения сигнала от одного конца микросхемы до другого ~ (размер
микросхемы 1см) / [(скорость света 3·1010см/с)/(показатель преломления 3.44)]
= 10–10с = 0.1 нс; соответствует частоте 10 ГГц
Это можно преодолеть при особой организации потока вычислений.
Процессор – система с распределенными параметрами; «волны» вычислений.
Но самое главное – это задержки на перезарядку емкостей (установление
номинальных выходных потенциалов) после переключения.
Емкости падают как 1/M , сопротивления растут как M, задержка не меняется
Можно было бы увеличить зарядный ток, но тогда растет тепловыделение.
Уменьшение VDS требует увеличения проводимости канала
Реальное ограничение тактовой частоты ~ 10 ГГц остается
Уменьшение толщины подзатворного диэлектрика
Важным параметром, ограничивающим уменьшение размеров подзатворного
диэлектрика, является величина туннельного тока из затвора в канал транзистора
Зависимость плотности тока
через затвор от величины
напряжения на затворе для
различных толщин
диэлектрика
Изменение толщины подзатворного диэлектрика
10
5
Толщина
диэлектрика,
нм
1
1990
1995
2000
2005
Уменьшение толщины подзатворного диэлектрика
По мнению представителей корпорации Intel, существует теоретическая
возможность создать работающий транзистор с толщиной подзавторного
диэлектрика, равной размерам одного атома.
1,2 нм SiO2
Транзистор,
изготовленный Intel
по технологии 90 нм
Уменьшение толщины подзатворного диэлектрика
Для создания сверхтонких слоев позатворного диэлектрика (вплоть до 1 атома)
при сохранении приемлемой величины тока утечки необходимо использовать
материалы с более высокой величиной диэлектрической проницаемости
Материал
Комментарии
Si3N4
Небольшое преимущество по сравнению c SiO2. На
завершающей стадии.
Ta2O5
Необходим промежуточный слой SiO2. Невозможность
использования поликристаллического затвора. Идут
исследования (S. Kamiyama).
TiO2
Необходим промежуточный слой SiO2. Невозможность
использования поликристаллического затвора. Идут
исследования (S. A. Campbell).
BST
Необходим слой SiO2. Невозможность использования
поликристаллического затвора. Начаты исследования.
«Вертикальные» транзисторы
Канал окружен «затворами» с разных
сторон; более эффективное подавление
токов утечки в состоянии Вкл и
уменьшение сопротивления в состоянии
Выкл.
Меньшее потребление мощности.
Большая компактность.
25-nm транзистор с рабочим
напряжением 0.7 V (декабрь 2002 )
Прибор "Omega FinFET" :
время срабатывания 0.39 ps.
Транзисторы, созданные в лабораториях Intel
30 нм
20 нм
Декабрь 2000
Июнь 2001
15 нм
Декабрь 2001
Размеры современного МОП транзистора
сравнимы с размерами молекулы ДНК
Ген 198984-226
Поперечный размер – 10 нм
МОП транзистор с длиной
канала L=30 нм
Заключение
К 2010 году следует рассчитывать на появление транзистора
со следующими характеристиками:
• Размер транзистора: 0,03 мкм
• Длина затвора: 13 нм
• Рабочее напряжение: 0,6 – 0,75 В
• Частота переключения: до 2,6 ТГц
(при этом тактовая частота микросхемы едва ли достигнет нескольких
десятков ГГц)
Дальнейшая миниатюризация кремниевых элементов чипов
станет экономически невыгодной независимо от физической
возможности. По мнению специалистов IBM, дальнейший
прогресс в электронике станет возможным за счет создания
сверхпроводящих и молекулярных компьютеров, углеродных и
полупроводниковых нанотрубок, а также спинтроники.