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 20 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.