Главное преимущество КМОП — схем – это практическое отсутствие потребления электрической мощности при отсутствии переключений в схеме. На рубеже 50 тысяч транзисторов проблема потребляемой мощности остановила развитие цифровых биполярных микросхем. Современные КМОП — микросхемы включают более 10 млрд. элементов в устройствах памяти и более 1 млрд. в микропроцессорах.
В процессе развития технологии выяснилось, что пределы миниатюризации у МОП — транзисторов находятся в области единиц нанометров, а у биполярных – в области сотен нанометров. За счет миниатюризации предельное быстродействие МОП — транзисторов значительно превосходит быстродействие биполярных приборов.
Основной недостаток МОП — приборов – квадратичная зависимость выходного тока от управляющего напряжения. Экспоненциальная зависимость у биполярных приборов обеспечивает большую крутизну проходной характеристики и во много раз больший коэффициент усиления по напряжению. Поэтому в радиочастотных схемах и схемах управления мощностью биполярные транзисторы применяются очень широко. Цифровая электроника построена почти исключительно на МОП — транзисторах.
Требования к структуре КМОП — микросхем
Технология современных КМОП — микросхем развивается по двум основным направлениям:
· уменьшение геометрических размеров элементов в соответствии с принципом пропорциональной миниатюризации .
· расширение разнообразия полупроводниковых элементов, объединенных в одном кристалле.
Первое направление стимулирует развитие сложной цифровой электроники (микропроцессоры, память). В 2006 г. в производстве осваивались микросхемы с минимальными размерами элементов 65 нм и осуществлялась подготовка производства микросхем с размерами элементов 45 нм.
Второе направление обеспечивает увеличение номенклатуры выпускаемых изделий за счет объединения в одном кристалле разнообразных функциональных блоков: цифровых, аналоговых, оптических, радиотехнических и др.
Уменьшение размеров элементов обеспечивает увеличение быстродействия, повышение плотности размещения транзисторов на кристалле и соответствующее увеличение степени интеграции, снижение потребления электроэнергии на выполнение вычислений. Однако каждый шаг по уменьшению размеров элементов требует усложнения физической структуры. Так, уменьшение длины затвора МОП — транзистора требует уменьшения толщины подзатворного диэлектрика и улучшения его однородности и дефектности. Сближение p–n — переходов усиливает тиристорный эффект и утечки через подложку. Повышение плотности тока в транзисторе требует снижения сопротивлений омических контактов. Увеличение плотности размещения элементов диктует необходимость увеличения числа уровней электрических соединений. С уменьшением размеров меняются и проектные нормы на размещение элементов физической структуры. Так ограничены не только минимальные, но и максимальные размеры (ширина затвора, расстояния между контактами заземления и питания, зазоры изоляции)
В табл. 12.1 приведены основные параметры КМОП — структур для разных минимальных размеров элементов.
Таблица 12.1
Параметры КМОП — структур
| Параметр КМОП — структур |
Минимальный размер элементов |
||||
| Длина затвора, мкм | 0,5 | 0,35 | 0,25 | 0,18 | 0,13 |
| Напряжение питания, В | 5,0 | 3,3 | 2,5 | 1,8 | 1,2 |
| Задержка инвертора, пс | 140 | 70 | 40 | 25 | 15 |
| Минимальный размер контакта, мкм | 0,7 | 0,5 | 0,4 | 0,3 | 0,2 |
| Ширина проводников, мкм | 0,8 | 0,6 | 0,45 | 0,35 | 0,25 |
| Число уровней металлизации | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
Увеличение числа типов полупроводниковых приборов, изготавливаемых в едином технологическом маршруте в составе одного кремниевого кристалла, дает возможность объединения в интегральные микросистемы сложных устройств, ранее создававшихся только на печатных платах. Интеграция в микросистемы позволяет улучшить почти все основные показатели изделия: стоимость, надежность, быстродействие, габариты и др. Конструирование многоприборных структур является не только технологической, но и сложной физической задачей.
