Проблема миниатюризации в устройствах полупроводниковой памяти

Современные ИС с высокой степенью интеграции представляют собой ансамбль огромного числа элементов (транзисторов), каждый из которых состоит из микроскопических областей полупроводника с вполне определенными свойствами. Все эти микроскопические области эмиттеров, баз, коллекторов, истоков, стоков, каналов, межсоединений и т. п. можно рассматривать как статические неоднородности в непрерывной среде кристалла, созданные с помощью технологических процессов. Обработка информации осуществляется ее продвижением из области одной статической неоднородности в другую, при этом происходит непрерывное изменение таких физических величин, как напряженность электрического поля, потенциалы, концентрации носителей и т. д. Размеры областей статических неоднородностей весьма малы, а с возрастанием степени интеграции они непрерывно уменьшаются.

В истории микроэлектроники прогресс в технологии выражался в постепенном уменьшении размеров транзисторов от 25-50 мкм до 2-3 мкм (для серийно изготовляемых схем). Расчеты показывают, что уменьшение размеров элементов ИС неизбежно приводит к целому ряду ограничений.

Проблема межсоединений. Плотность размещения транзисторов в ИС определяется геометрическими (топологическими) и физическими факторами. Топологическая задача при создании ИС заключается в размещении транзисторов и соединений между ними на части поверхности пластины. При большом числе транзисторов в ИС сетка соединений необычайно сложна и, очевидно, будет занимать значительную часть площади поверхности пластины (до 85% для БИС).

Показано, что даже при оптимальном размещении и пренебрежимо малых размерах элементов существует предел для повышения степени интеграции N БИС и СБИС, определяемый монтажной площадью межэлементных связей на кристалле: N_max=(L/h_т)^5/6, где L=(L₁+L₂)/2= sqrt(S_кр) - усредненный линейный размер; L₁+L₂ - периметр кристалла; S_кр - площадь кристалла; h_т - шаг трассировки.

Один из путей уменьшения занимаемой межсоединениями площади кристалла - это переход на многоуровневую разводку, например 12-уровневую вместо стандартной трехуровневой (внутриячеечные соединения, межъячеечные соединения, питание). Подсчитано, что уже при 20—25 тыс. вентилей на кристалле и 12-уровневой разводке полезно используемая площадь будет составлять около 50%. Однако надежность таких схем резко падает из-за неудовлетворительных контактов между уровнями, наличия ложных контактов через случайные поры в тонких слоях диэлектрика. Особенно высокие требования предъявляются к металлическим линиям и к межуровневому диэлектрику. Толщина металлических и особенно диэлектрических слоев не должна быть меньше 0,05 мкм.

Проблема межсоединений не сводится только к размеру занимаемой ими площади кристалла. Уменьшение топологических размеров существенно уменьшает сечение токоведущих линий и увеличивает отношение их длины к сечению. Следствием этого является увеличение сопротивления соединительных проводников и другие нежелательные явления. В частности, возрастают напряженности электрического поля, и приходится считаться с возможностью объемного или поверхностного пробоя диэлектрика.

Тепловые ограничения. Одним из физических факторов, ограничивающих плотность размещения транзисторов на поверхности кристалла, является отвод теплоты, выделяемой при работе ИС. Из-за энергетических ограничений предельные значения уровня интеграции и быстродействия не могут быть реализованы одновременно.

Быстродействие транзистора определяется временем переключения транзисторных ключей, или вентилей, , которое обратно пропорционально потребляемой мощности Р:  =А/Р. Здесь А - работа ключа на одно переключение. Повышение мощности в целях ускорения переключения, как правило, требует увеличения расстояния между отдельными элементами схемы для соблюдения необходимого теплового режима, что приводит к уменьшению плотности размещения элементов и увеличению задержки на распространение сигнала по линиям.

Мощность, рассеиваемая в кристалле в виде теплоты, должна быть меньше тепловой мощности, которая может быть отведена.

При воздушном обдуве с площади 1 см² относительно легко отводится мощность порядка 2 Вт (в охлаждающей жидкости — окоо 20 Вт). Если один транзистор занимает на поверхности пластины площадь порядка 100 мкм², то на площади 1 см² разместится 10⁶ транзисторов, причем каждый из них может выделить при работе мощность не более 2 мкВт. Допустим, что А=10^-12 Дж, т=1 нс; при таком быстродействии на каждом вентиле в схеме мощность потерь достигнет 10 мВт. Степень интеграции ИС такого высокого быстродействия будет ограничена 200 вентилями.

Легко видеть, как сильно снижает предельную степень интеграции сверхскоростных ИС ограниченность отвода теплоты и насколько важны поиски путей снижения потребляемой мощности в ИС.

Масштабирование (скейлинг параметров). В настоящее время наиболее распространенным методом уменьшения элементов и кристаллов ИС является масштабирование. Существует достаточно большая область геометрических размеров, где возможны преобразования при миниатюризации с использованием простых масштабных преобразователей, или скейлинга. Суть масштабирования в определении масштабных множителей F(K), с помощью которых параметры прибора, будучи уменьшены в К раз, выражаются через соответствующие параметры исходного прибора. Это позволяет, не изменяя технологических процессов и топологии ИС, улучшить параметры ИС пропорционально масштабу этого уменьшения.

При уменьшении размеров активных элементов их параметры улучшаются, а такое же масштабирование межсоединений приводит к ухудшению параметров: все значительнее проявляются такие нежелательные явления, как электромиграция вещества (процесс перемещения атомов проводника), увеличение волнового сопротивления, возрастает роль краевых емкостей межсоединений.

Таким образом, стратегия одинакового уменьшения всех линейных размеров ИС не является оптимальной. В практически важных случаях различным величинам придают различные масштабные коэффициенты. Масштабирование удачно применяется при уменьшении размеров элементов от 10 до единиц микрометра. Однако при переходе к длинам менее 1 мкм масштабирование неэффективно, необходимо учитывать ограничения, связанные с физическими эффектами, возникающими при малых геометрических размерах.

При заданном напряжении питания с уменьшением размеров растут электрические поля в диэлектрике и в обедненных областях полупроводника, что может привести к пробою р-n-переходов и диэлектрика, появлению “горячих” электронов и туннелированию их в диэлектрический слой.

Существует минимальная толщина диэлектрика или обедненного слоя, при которой электрическое поле еще не превышает поля пробоя или не является причиной других нежелательных эффектов. Эта минимальная толщина определяет минимум всех других размеров прибора и, таким образом, ставит предел миниатюризации приборов такого типа.

Трехмерные интегральные схемы. Общая тенденция неограниченного роста степени интеграции ИС диктует поиски конструктивных решений, альтернативных возрастанию площади кристалла ИС и уменьшению размеров элементов в двухмерных ИС. Начиная с некоторой степени интеграции может оказаться более выгодным переход к трехмерным ИС, в которых активные элементы располагаются в несколько слоев.

Трехмерные ИС имеют многослойную структуру с диэлектрической изоляцией. Такая многоэтажная конструкция может эффективно использоваться для изготовления на разных этажах схемы приборов различных типов и их интеграции в составе ИС. Такое объединение, как правило, дает выигрыш в качестве ИС.

Существенные преимущества могут быть получены при использовании трехмерной конструкции ИС и за счет упрощения схемы соединений. Число соединений может уменьшиться, и длина их будет меньше, что приведет к экономии полезной площади кристалла, уменьшению потребляемой мощности, а также позволит уменьшить задержки на соединениях и увеличит быстродействие ИС.

Идея создания трехмерных структур возникла сравнительно недавно и в настоящее время активно разрабатывается. Одним из шагов в этом направлении является создание схемы ЗУ, выполненной по технологии трехмерной поперечной инжекции с формированием двух электродов. Эта схема имеет сходство со схемами, включающими элементы с плавающим затвором, которые используются в ППЗУ, но имеет дополнительный транзистор в тонком слое поликремния. Этот транзистор предназначен для управления процессом подачи заряда записи на накопительное устройство - протяженный затвор.

Перспективы и преимущества трехмерных структур несомненны. Однако здесь еще много нерешенных проблем. Можно ожидать, что в относительно близком будущем такие ИС станут реальностью, что откроет новые возможности для увеличения степени интеграции и совершенствования функции ИС.