Закон Мура. Масштабирование интегральных схем

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Саратовский государственный технический университет им. Гагарина Ю.А.

Кафедра «Радиоэлектроники и телекоммуникаций» (РТ)

Реферат

на тему «Закон Мура. Масштабирование интегральных схем»

по дисциплине «Физические основы микро и нано электроники»

Выполнил: Порываева Н.П.

Проверил: Ушаков Н.М.

Саратов - 2015

Содержание

Введение

1. Закон Мура

2. Принципы масштабирования

3. Ограничения масштабирования

Заключение

Литература

Введение

Название «микроэлектроника» связано с тем, что первые транзисторы имели размеры порядка 10 микрометров (микрон). За полвека развития размеры транзисторов уменьшились на несколько порядков величины. Граница между микроэлектронной и наноэлектронной технологиями носит условный характер и проводится на размерах ~ 100 нанометров (0,1 мкм). Это объясняется тем, что удобней оперировать целыми числами - нанометрами, а не долями микрометра. Для оценки размера в 100нм достаточно сказать, что такой размер имеет вирус гриппа. Переход в наноэлектронную область произошел в 1999 году. В 2012 году фирма Intel начала производство схем с технологической нормой 22нм и в настоящее время готовит выпуск схем с технологической нормой 14нм.

Что же касается внедрения в индустрию приборов на новых физических принципах или даже на новых материалах, то это представляется делом достаточно отдаленного будущего (не ранее чем через 20-30 лет). Несомненно, что некоторые уже давно известные и недавно открытые материалы (например, графен - моноатомная 2-х мерная решетка углерода с уникальными электронными и механическими свойствами) займут значительную нишу в будущей электронике. Тем не менее, полное вытеснение кремния как основного материала электроники представляется столь же маловероятным событием, как вытеснение железа в качестве основного конструкционного материала.

1. Закон Мура

Анализ эмпирических тенденций первых 5 лет развития интегральной технологии позволил Гордону Муру (рис. 2.3) сформулировать в 1965г. некоторую закономерность, впоследствии получившую название закона Мура.

Первоначальная формулировка закона звучала следующим образом: «Количество транзисторов на чипе (интегральной схеме) удваивается каждые 12 месяцев». Несмотря на некоторый произвол в формулировке и обосновании, закон Мура имеет определенную физическую основу. Его физическое содержание состоит в идее возможности масштабного уменьшения геометрических размеров микроэлектронных компонентов с сохранением электрических и улучшением функциональных характеристик отдельных приборов и всей схемы в целом (масштабирование, или размерный скейлинг).

Рис. 2.4. Зависимость степени интеграции от времени (закон Мура)

Именно возможность масштабирования микроэлектронных структур явилась технологическим и экономическим основанием, обеспечившим победное шествие закона Мура на протяжении уже почти полувека (рис. 2.4).

Сложившиеся тенденции масштабирования ИС могут быть сформулированы (с определенной степенью точности) следующим образом:

- новое поколение технологии появляется через каждые три года;

- при этом уровень интеграции ИС памяти увеличивается в четыре раза, а логических ИС - в 2-3 раза;

- за каждые два поколения технологии (то есть за 6 лет) минимальный характеристический размер уменьшается в два раза, а плотность тока, быстродействие (тактовая частота), площадь кристалла и максимальное количество входов и выходов увеличиваются в два раза.

Выделяют две основные цели и два вида ограничений при масштабировании МОПТ.

Первая цель заключается в увеличении рабочего тока МОПТ для увеличения быстродействия, которое ограничивается временем заряда и разряда емкостной нагрузки. Увеличение тока стока требует уменьшения длины канала и увеличения электрического поля в подзатворном окисном слое, которое определяет плотность заряда в инверсионном слое.

Вторая цель - уменьшение размеров для увеличения плотности размещения элементов. Это требует уменьшения как длины, так и ширины канала МОПТ, то есть увеличения тока на единицу ширины канала для обеспечения необходимого рабочего тока.

Увеличение количества элементов на одном кристалле (чипе) (то есть повышение степени интеграции) достигается, главным образом, за счет уменьшения так называемой технологической нормы, и, в некоторой степени, за счет роста площади чипа.

Площадь одного чипа, на котором располагается схема памяти или микропроцессор, имеет тенденцию к росту, но в гораздо меньшей степени. В настоящее время типичные размеры чипа составляют <145 мм2 для устройств ДОЗУ и <310 мм2 для микропроцессоров. В настоящее время на одном чипе располагается более миллиарда транзисторов. Ожидается, что к 2016г. количество транзисторов на одном чипе будет составлять ~ 10 млрд.

2. Принципы масштабирования

Анализ, проведенный Деннардом (Dennard) в начале 70-х гг. XX в., привел к неожиданному выводу: уменьшение размеров приборов улучшает почти все характеристики схем, как функциональные, так и экономические. Этот вывод дал зеленый свет к продолжающейся по сию пору технологической гонке на основе идей пропорциональной миниатюризации - масштабирования (скейлинга).

Основная идея масштабирования - уменьшение геометрических размеров приборов с сохранением некоторых функциональных и параметрических инвариантов. В частности, необходимо, чтобы при масштабировании не изменялись электрические характеристики ВАХ транзисторов. Для этого необходимо оставлять постоянными некоторые параметрические инварианты. Один из возможных таких инвариантов - электрические поля в транзисторе. Для того чтобы электрические поля внутри приборов оставались приблизительно постоянными, необходимо уменьшать напряжения питания.

Численной характеристикой масштабирования является безразмерный масштабный фактор . Наблюдаемая численная характеристика масштабирования = 5 за 10 лет. Часто обсуждаются и другие стратегии «обобщенного масштабирования», учитывающие разные масштабные факторы для параметров разных типов. Например, при увеличении степени интеграции характерные значения электрического поля в транзисторе увеличиваются. Это связано с тем, что напряжение питания уменьшается медленней, чем характерные размеры, например, толщина подзатворного окисла.

На практике невозможно выдержать последовательно любую из этих стратегий. Поэтому разработчики часто пользуются эмпирическими правилами масштабирования, основанными на анализе фактических тенденций и технологических традиций в своей фирме.

микроэлектронный мастабирование интегральный закон

3. Ограничения масштабирования

Сформулированы два вида ограничений при масштабировании МОПТ. Первый вид ограничений связан с необходимостью снижения токов утечки и объясняется следующими причинами: снижением порогового напряжения при уменьшении длины канала, смыканием ОПЗ областей стока и истока в объеме подложки, туннелированием носителей между областями стока и подложки при высокой напряженности электрического поля в области перекрытия стока затвором (GIDL - эффект), лавинным пробоем р-п перехода сток- подложка.

Второй вид ограничения масштабирования вызван необходимостью обеспечения надежного функционирования ИС в течение заданного срока службы приборов. Он связан с воздействием горячих носителей и зависимым от времени пробоем подзатворного диэлектрика.

Пределы масштабирования диктуются постоянством фундаментальных и технологических характеристик материала, большинство из которых не поддаются масштабированию. Это, например:

ширина запрещенной зоны кремния (ограничивает снизу пороговое напряжение, ширину обедненной области);

эффективная масса носителей (ограничивает сверху подвижность, скорость насыщения и быстродействие);

внутренние характеристики материалов ? например, поле в подзатворном окисле SiO₂ не может превышать максимальное напряжение пробоя окисла (~ 10⁷ В/см).

Другой причиной ограничения масштабирования являются некоторые фундаментальные законы, лежащие в основе работы прибора. Например, подпороговые токи утечки между стоком и истоком определяются больцмановской статистикой надбарьерного перехода носителей между стоком и истоком и, вообще говоря, не зависят от геометрических размеров приборов. Паразитные туннельные токи при масштабировании даже возрастают.

Кроме того, при малых размерах начинает работать геометрический фактор, связанный с ухудшением электростатического контроля заряда в канале зарядом на затворе. Это является следствием нарушения планарности и проявлением трехмерности уравнения Пуассона, что приводит к появлению паразитных короткоканальных эффектов.

Возрастание последовательных паразитных сопротивлений истоков/стоков (S/D) - уменьшение максимального тока. Возможное решение состоит в использовании металлических контактов в качестве стоков и истоков .

Обеднение затвора приводит к падению потенциала на затворе и выражается в уменьшении эффективной затворной емкости. Возможное решение состоит в использовании металлических затворов вместо поликремниевых.

Уменьшение размеров и использование нетрадиционных изоляторов уменьшает подвижность. Возможное решение состоит в использовании для увеличения подвижности Si/Ge сплавов и слоев напряженного кремния.

Заключение

Мировая микроэлектроника, следуя закону Мура, всегда опровергала регулярно выдвигаемые инженерами опасения, что мы вот-вот упрёмся в непреодолимые физические ограничения, после которых отрасль либо застрянет навсегда, либо будет вынуждена перейти на принципиально новые материалы и эффекты. Но как бы не оказалось так, что реальным тормозом будет эффект глобального насыщения: после бурного роста менять каждые год-два процессоры и память как обувь и одежду -- на новые, подходящие размеры -- уже не потребуется.

Другая проблема в том, что даже в тех применениях, где производительность и память никогда не будут лишними, качественный скачок (вместо очередного удвоения регистров, векторов, кэшей и ядер) может быть лишь при переходе на новый вид элементной базы -- графеновой, фотонной, спинтронной, квантовой или прочей «волшебной». Но для её разработки, адаптации к массовому производству и (особенно!) построению самого производства потребуется огромное количество денег -- куда большее цены современного фаба. Вполне возможно, лет через 10 (когда нынешнюю литографию растягивать далее уже не получится) никакие частные фирмы это не потянут. А какое из государств даже сегодня захочет профинансировать высокорисковые технологии микроэлектроники будущего?

Список литературы

Зебрев Г.И. Физические основы кремниевой наноэлектрники, М.: БИНОМ, 2011, с. 5-8, 30-53.

Парменов Ю.А. Элементы твердотельной наноэлектроники. Учебное пособие. М.: МИЭТ, 2011, гл. 1.

Балашов А.Г., Крупкина Т.Ю., Лосев В.В., Старосельский В.И. Наноэлектронные устройства и их модели. Учебное пособие. М.: МИЭТ, 2011, с. 16-29.

Красников Г.Я. Конструктивно-технологические особенности субмикронных МОП-транзисторов, Москва: Техносфера, 2011.

Размещено на Allbest.ru