Лекция 5: Наноэлектронная элементная база информатики на кремниевых КМДП транзисторах

Основные проблемы НЭБИ на КМДП транзисторах

Проблема межсоединений

На "наноэлектронном" этапе развития КМДП технологии обострился ряд проблем, существовавших уже на "микроэлектронном" этапе. Одной из острейших оказалась проблема реализации системы межсоединений. Общая длина линий межсоединений на кристаллах современных больших интегральных схем размером порядка 10х10 мм (например, процессоров) составляет уже 5-10 км. Для реализации всех межсоединений используют уже до 7-10 уровней металлизации.

Каждый участок межсоединений вносит в схему паразитные электрическое сопротивление и емкость, и как следствие, задержку распространения сигнала. Для участка проводника, показанного на рис. 5.8, задержка распространения сигнала составляет приблизительно

где и – диэлектрическая постоянная и толщина слоев изолятора, – универсальная электрическая постоянная, и – толщина и удельное электрическое сопротивление слоев металлизации, – длина участка межсоединения.

Задержки распространения сигналов вдоль линий межсоединений на "наноэлектронном этапе" развития КМДП технологии превысили уже времена задержки переключения транзисторов. Например, при ПТН 60-90 нм время задержки переключения в транзисторах составляло приблизительно 1 пс, а время задержки распространения сигналов в линиях межсоединений – приблизительно 6 пс на 1 мм длины. При ПТН 22 нм (прогноз на 2015 г.) время задержки переключения в транзисторах будет составлять примерно 0,1 пс, а время задержки в линиях межсоединений – приблизительно 30 пс на 1 мм длины. Поскольку толщину слоев нет уже возможности увеличивать, то, как видно из формулы (5.1), надо уменьшать величины и . В связи с этим слои изолятора стали изготавливать уже не из , а из модифицированных окислов, например, из фторированного оксида кремния () с несколько меньшей диэлектрической постоянной (). Сейчас начинают использовать органические и неорганические полимеры, чтобы довести до значения ниже 2.

Оказалось целесообразным также заменить алюминий, который за 50 лет стал привычным материалом для выполнения межсоединений, на медь, имеющую удельное сопротивление = 1,68 мкОм*см, существенно меньшее, чем алюминий ( = 2,66 мкОм*см).

На "микроэлектронном" этапе развития КМДП технологии электроды затворов и межсоединения к таким электродам выполняли обычно из высоколегированного поликристаллического кремния (поликремния). Но из-за его относительно высокого удельного сопротивления на "наноэлектронном" этапе электроды затворов делают уже из металлических композитов, например, из . В наноразмерных КМДП транзисторах несколько нарушилась также симметрия пороговых напряжений - и -канальных транзисторов. С целью восстановления симметрии для создания затворов транзисторов приходится использовать разного типа металлы с заметно разной работой выхода электронов.

Проблема теплоотвода

Следующей проблемой, которая обострилась на "наноэлектронном" этапе развития КМДП технологии, является возрастающее выделение тепла и проблема его отвода от интегральной схемы. В КМДП интегральных схемах основной нагрузкой на выходы транзисторов является суммарная электрическая емкость всех затворов, подключенных к выходу, и всех паразитных емкостей межсоединений и монтажа. Когда сигнал на выходе транзистора изменяется с "0" на "1" или наоборот, указанная суммарная емкость перезаряжается. В результате энергия конденсатора выделяется в виде тепла. Сейчас эта энергия составляет порядка , где – постоянная Больцмана, – абсолютная температура схемы. Если плотность транзисторов на кристалле микросхемы равняется , а тактовая частота – , то на единице площади микросхемы в единицу времени выделяется тепловая энергия

где – усредненная часть транзисторов, которые переключаются за один такт.

В современных быстродействующих наноэлектронных КМДП процессорах эта тепловая мощность достигла уже десятков Вт/см². А в 2015 г. будет составлять по прогнозам порядка 100 Вт/см². Это в 10 раз превышает тепловой поток, который подается от электроплиты мощностью 1 кВт к сковороде площадью 100 см². Для отвода от микросхемы такого потока тепла приходится применять уже охлаждение с помощью циркулирующей жидкости.

Другие проблемы

Следующей важной проблемой стало то, что с уменьшением размеров транзисторов уменьшается и величина полезного электрического тока, который они способны пропускать, и вместе с тем возрастает доля паразитных токов утечки. Под "полезным" мы понимаем тот ток, который определяет скорость перезарядки паразитных емкостей межсоединений и емкостей затворов, что и обеспечивает срабатывание (переход в другое состояние) последующих звеньев логической схемы. Чтобы увеличить полезный ток сквозь открытые каналы КМДП транзисторов был найден интересный выход – применение механически напряженных слоев монокристаллического кремния. Получают их с помощью эпитаксиального наращивания на пластине кремния сначала смешанного слоя монокристаллического , а поверх него – монокристаллического слоя кремния. Благодаря заметной разнице в периодах кристаллической решетки, верхний слой кремния оказывается механически напряженным. Это механическое напряжение изменяет энергетическую структуру валентной зоны и зоны проводимости в кремнии, снимает их вырождение. Носители электрического заряда (электроны и дырки) перераспределяются между т.н. "долинами", и электрический ток в канале транзистора определяют теперь в основном носители заряда с меньшими эффективными массами. В результате электрическое сопротивление канала уменьшается, и полезный ток заметно возрастает, – в -канальных транзисторах примерно вдвое, в -канальных – приблизительно в 1,5 раза.

Уменьшение длины и ширины канала наноэлектронных транзисторов при переходе ко все меньшим ПТН приводит к:

• значительному возрастанию роли краевых эффектов;
• росту влияния электрического напряжения на стоке;
• возрастанию роли паразитных емкостных связей между затвором, истоком, каналом и стоком;
• изменению условий переноса подвижных зарядов в канале транзистора;
• к тому, что электрический ток сквозь канал все хуже управляется напряжением на затворе.

При этом заметно возрастает электрический ток через закрытый транзистор, что приводит к повышению потребления энергии и выделения тепла в статическом режиме.

Существенно изменяется вся физическая модель МДП транзистора. Его работу приходится уже описывать значительно более сложными 3-мерными моделями. И, соответственно, труднее находить оптимальные конструктивно-технологические решения.

Когда размеры канала КМДП транзисторов сократятся до 10 нм и менее, станут существенными все квантово-механические эффекты, на которые мы обращали внимание в разделе 1. И тогда описывать работу транзисторов, исходя из классических представлений, станет вообще некорректно. Придется переходить к квантово-механическим моделям транзисторов. И оптимизация конструктивно-технологических решений станет еще более сложной.