Лекция 5: Наноэлектронная элементная база информатики на кремниевых КМДП транзисторах

Основные положения лекции 5

На "наноэлектронном" этапе развития кремниевой элементной базы информатики ведущим остается вариант элементной базы на КМДП транзисторах. Как и на предыдущем этапе, преимуществами КМДП варианта являются: практическое отсутствие энергопотребления в статическом режиме, возможность работы в широком диапазоне значений напряжения питания, большое входное сопротивление, высокое быстродействие, которое повышается с уменьшением размеров транзисторов; способность функционировать в широком диапазоне температур окружающей среды, хорошо освоенная промышленная групповая технология, обеспечивающая относительно низкие цены наноэлектронных устройств.

Переход кремниевой элементной базы путем поэтапного масштабирования в область нанометровых размеров был ожидаемым и закономерным. Размер пары комплементарных МДП транзисторов составляет приблизительно 12 ПТН. Поэтому можно считать, что КМДП логика стала наноэлектронной тогда, когда ПТН стали меньше 80 нм. В промышленном производстве это произошло примерно в 2000-2002 гг. – на рубеже тысячелетий.

На "наноэлектронном" этапе толщина подзатворного окисла быстро приблизилась к своей границе – порядка нескольких постоянных кристаллической решетки . Вместо уменьшения толщины в качестве подзатворного диэлектрика начали использовать материалы с большей величиной диэлектрической постоянной. Чтобы уменьшить глубину "карманов" истока и стока, их начали создавать путем имплантации примесных ионов на малую глубину.

На "наноэлектронном" этапе обострились проблемы, которые существовали уже на "микроэлектронном" этапе. Одной из острейших оказалась проблема реализации системы межсоединений. Задержки распространения сигналов вдоль соединительных линий стали уже больше, чем задержки переключения транзисторов. Поэтому слои изоляции приходится изготовлять не из , а из модифицированных окислов или полимеров с меньшей диэлектрической постоянной, а материал металлических шин заменять на медь, имеющую существенно меньшее, чем алюминий, удельное сопротивление. В наноразмерных КМДП схемах несколько нарушилась симметрия пороговых напряжений п- и р-канальных транзисторов. Для ее восстановления в разных типах транзисторов используют затворы из металлов с разной работой выхода электронов.

Обострилась и проблема отвода тепла от быстродействующих интегральных схем. В современных наноэлектронных КМДП процессорах с тактовыми частотами в сотни мегагерц эта тепловая мощность достигла уже десятков Вт/кристалл. Для отвода такого потока тепла приходится применять охлаждение уже с помощью циркулирующей жидкости.

С уменьшением размеров транзисторов уменьшается величина полезного электрического тока, который они способны пропускать, и вместе с тем возрастает доля паразитных токов утечки. Для увеличения полезного тока применяют механически напряженный слой монокристаллического кремния. Электрическое сопротивление канала уменьшается в них за счет того, что электроны и дырки в напряженном кремнии перераспределяются между "долинами", и электрический ток в канале транзистора определяют носители заряда с меньшей эффективной массой.

При переходе к проектно-технологическим нормам 32 нм и менее существенно изменяется вся физическая модель МДП транзистора. Его работу приходится описывать значительно более сложными, уже 3-мерными моделями, и становится все труднее находить оптимальные конструктивно-технологические решения. Под грузом возникших проблем (значительный рост роли краевых эффектов, рост роли паразитных емкостных связей между затвором, истоком, каналом и стоком, то, что электрический ток сквозь канал все хуже управляется напряжением на затворе и т.п.), неотвратимым стал переход к технологиям изготовления КМДП схем, которые называют "кремний на изоляторе" (КНИ). Применение технологии КНИ позволило значительно улучшить характеристики транзисторов: существенно уменьшить паразитные токи, паразитные электрические емкости, влияние краевых эффектов. При этом значительно уменьшились и энергопотребление, и выделение тепла. Чтобы электрический ток сквозь канал по-прежнему хорошо управлялся напряжением на затворе, пришлось перейти к объемной конструкции транзистора, обеспечивающей охват канала проводимости затвором одновременно с трех сторон. Благодаря такой конструкции существенно уменьшается ток сквозь "закрытый" транзистор, возрастает скорость переключения транзистора. Удается уменьшить величину пороговых напряжений и рабочее напряжение схем, снижая тем самым энергопотребление.

Когда размеры канала КМДП транзисторов станут меньше 5-10 нм, то придется переходить к квантово-механическим моделям транзисторов, и оптимизация конструктивно-технологических решений станет еще более сложной.

Освоение наноэлектронной технологии КМДП транзисторов позволило существенно улучшить характеристики фоточувствительных КМДП матриц. Удалось значительно усовершенствовать схему фоточувствительных ячеек, включив в ее состав усилитель сигналов и тонкопленочный конденсатор. Усовершенствованные ячейки хорошо работают даже в условиях низкой освещенности, имеют широкий динамический диапазон (свыше 120 дБ). На порядки выросло их быстродействие, и теперь они позволяют считывать весьма динамичные изображения.

Для восприятия цветных изображений каждый элемент ("пиксель") фоточувствительной матрицы состоит из 4 ячеек, каждая из которых чувствительна к свету своего цвета. Прежде для кодирования цвета обычно использовали вариант "RGGB". В последние годы применяют более прогрессивные варианты "RGBW" и "RGBЕ". Благодаря промышленному освоению наноэлектронной технологии ныне серийно выпускают КМДП матричные фотоприемники с уровнем интеграции в 16 млн. цветных пикселей на кристалле. Размер пикселя из четырех разноцветных фоточувствительных ячеек составляет уже менее 1 мкм, а частота сканирования всех 16 мегапикселей – до 60 кадров/с.

В некоторых наноэлектронных цветных фоточувствительных КМДП матрицах, кроме светофильтра, над чувствительной областью матрицы устанавливают пленку с микролинзами (по одной на каждый пиксель). Это позволяет повысить чувствительность к свету, распространяющемуся под относительно большими углами и "взаимодействовать" с широкоугольными и высокоапертурными оптическими объективами, и направлять на фотодиоды также свет, падающий на пространство между пикселями.

Преимуществом наноэлектронных фоточувствительных КМДП матриц, кроме низкого энергопотребления, является возможность объединения в одном кристалле фоточувствительной части с широким набором дополнительных схем усиления, обработки, цифровой фильтрации сигналов, преобразования видеоинформации в разные стандарты представления. Это позволяет использовать одну и ту же матрицу в принципиально разных режимах, опрашивать лишь незначительную группу пикселей, значительно повышая частоту сканирования, чтобы наблюдать особенно динамичные быстротечные события. Схемы усиления могут быть сформированы в любом звене прохождения сигналов, что позволяет повышать чувствительность в условиях плохого освещения, регулировать коэффициенты усиления сигналов каждого цвета независимо.

Типичный диапазон спектральной чувствительности КМДП фотоматриц лежит в интервале от 1100 нм (инфракрасная область) до 200 нм (ближний ультрафиолет). Это позволяет считывать с них и визуализировать картины, обычно невидимые человеческим глазом.

Набор для практики

Вопросы для самоконтроля

1. Остается ли актуальной кремниевая элементная база информатики на "наноэлектронном" этапе развития? Какие преимущества она имеет?
2. Что такое "проектно-технологическая норма" (ПТН)?
3. Сколько приблизительно ПТН составляет размер инвертора из двух комплементарных МДП транзисторов? С каких пор КМДП логика стала наноэлектронной?
4. В чем заключалось поэтапное масштабирование МДП транзисторов на микроэлектронном этапе развития? Как изменялись при этом их быстродействие и плотность компоновки на кристалле?
5. Какие изменения в возможностях уменьшения размеров МДП транзисторов произошли на наноэлектронном этапе развития?
6. Назовите проблемы в росте уровня интеграции микросхем, которые обострились на наноэлектронном этапе развития?
7. Как преодолевают эти проблемы?
8. Почему на наноэлектронном этапе развития КМДП технологии стал неотвратимым переход к технологиям "кремний на изоляторе"? Расскажите кратко об этих технологиях, в частности о варианте "кремний на захороненном окисле".
9. Что такое "объемные конструкции" МДП транзисторов? Какая от них польза?
10. Почему усложняются расчеты наноэлектронных МДП транзисторов и оптимизация их конструктивно-технологических параметров?
11. Что дало освоение наноэлектронной технологии КМДП транзисторов для улучшения характеристик фоточувствительных КМДП матриц? Начертите усовершенствованную схему фоточувствительной ячейки.
12. Каким образом в наноэлектронных фоточувствительных КМДП матрицах обеспечивается восприятие цветных изображений?
13. Чем отличаются друг от друга варианты кодирования цветных изображений "RGGB", "RGBW" и "RGBЕ"?
14. Можете ли Вы назвать основные характеристики наилучших современных наноэлектронных фоточувствительных КМДП матриц? Число пикселей в них? Быстродействие? Спектральный диапазон чувствительности? Возможности изменения режимов работы?