Эффект истощения поликремния
Эффект истощения поликремния — это явление, при котором нежелательное изменение порогового напряжения устройств MOSFET , использующих поликремний наблюдается в качестве материала затвора, что приводит к непредсказуемому поведению электронной схемы . [1] Из-за этого варианта для решения этой проблемы были предложены металлические диэлектрические затворы High-k (HKMG).
Поликристаллический кремний , также называемый поликремнием, представляет собой материал, состоящий из мелких кристаллов кремния. Последний отличается от мокристаллического кремния, используемого для полупроводниковой электроники и солнечных элементов , и от аморфного кремния , используемого для тонкопленочных устройств и солнечных элементов.
Выбор материала ворот
[ редактировать ]Контакт затвора может быть из поликремния или металла, ранее поликремний был выбран вместо металла, поскольку интерфейс между поликремнием и оксидом затвора ( SiO 2 ) был благоприятным. Но проводимость слоя поликремния очень низкая, и из-за этой низкой проводимости накопление заряда мало, что приводит к задержке формирования каналов и, следовательно, к нежелательным задержкам в цепях. Полислой легирован примесями N- или P-типа, чтобы он вел себя как идеальный проводник и уменьшал задержку.
Недостатки затвора легированного поликремния
[ редактировать ]
V gs = напряжение затвора
V th = пороговое напряжение
n+ = сильнолегированная N-область
На рисунке 1(а) nMOS - транзистора видно, что свободные основные носители разбросаны по всей структуре из-за отсутствия внешнего электрического поля . Когда к затвору прикладывается положительное поле, рассеянные носители располагаются, как показано на рисунке 1(b) , электроны движутся ближе к выводу затвора, но из-за конфигурации разомкнутой цепи они не начинают течь. В результате разделения зарядов на границе раздела поликремний-оксид образуется обедненная область, что оказывает непосредственное влияние на формирование каналов в МОП-транзисторах . [2]
В NMOS с затвором из поликремния n+ эффект полиистощения способствует формированию канала за счет комбинированного воздействия (+)ve поля донорных ионов (ND ) и внешнего (+)ve поля на терминале затвора. По сути, накопление (+)ve заряженных донорных ионов ( ND ) на поликремнии усиливает образование инверсионного канала, и когда V gs > V , формируется инверсионный слой, что можно видеть на рисунке 1(b). где инверсионный канал образован ионами-акцепторами (NA ) ( неосновными носителями ). [3] Истощение поликремния может варьироваться в поперечном направлении по транзистору в зависимости от процесса изготовления, что может привести к значительной изменчивости транзисторов в определенных размерах. [4]
Металлические ворота вновь введены в эксплуатацию
[ редактировать ]По вышеуказанной причине по мере того, как устройства выходят из строя при масштабировании (узлы 32-28 нм), поли-затворы заменяются металлическими затворами. Следующая технология известна как интеграция High-k Dielectric Metal Gate (HKMG). [5] [6] В 2011 году Intel выпустила пресс-кит, посвященный процедурам изготовления различных узлов, в котором показано использование технологии металлических затворов. [7]
Ранее в качестве материала затвора в МОП-устройствах предпочитали легированный поликремний. Поликремний использовался, поскольку его выхода согласована с кремниевой подложкой (что приводит к низкому пороговому напряжению MOSFET работа ). Металлические затворы были вновь представлены в то время, когда SiO 2 диэлектрики заменялись диэлектриками с высоким коэффициентом k, такими как оксид гафния, в качестве оксида затвора в основной технологии КМОП . [8] Также на границе раздела с диэлектриком затвора поликремний образует слой SiO x . Более того, сохраняется высокая вероятность закрепления уровня Ферми . [9] Таким образом, эффектом легированного поли является нежелательное снижение порогового напряжения, которое не было учтено при моделировании схемы. Чтобы избежать такого рода изменений v th , МОП-транзистора в настоящее время предпочтение отдается металлическому затвору, а не поликремнию .
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Риос, Р.; Арора, Северная Дакота (1994). «Аналитическая модель эффекта истощения поликремния для МОП-транзисторов». Письма об электронных устройствах IEEE . 15 (4): 129–131. дои : 10.1109/55.285407 . S2CID 9878129 .
- ^ Риос, Р.; Арора, Северная Дакота (1994). «Моделирование эффекта истощения поликремния и его влияние на характеристики субмикрометровой КМОП-схемы». Транзакции IEEE на электронных устройствах . 42 (5): 935–943. дои : 10.1109/16.381991 .
- ^ Шуграф, К.Ф.; Кинг, CC; Ху, К. (1993). «Влияние истощения поликремния в технологии МОП-технологий с тонкими оксидами» (PDF) . Труды Международного симпозиума: Технологические системы и приложения СБИС . стр. 86–90.
- ^ HP Tuinhout, AH Montree, J. Schmitz и PA Stolk, Влияние истощения затвора и проникновения бора на согласование глубоких субмикронных КМОП-транзисторов, Международная конференция электронных устройств IEEE, Технический дайджест, стр. 631-634, 1997.
- ^ «ARM, IBM, Samsung, GLOBALFOUNDRIES и Synopsys объявляют о поставке 32/28-нм вертикально оптимизированной проектной платформы HKMG» . news.synopsys.com . Архивировано из оригинала 14 июля 2016 года . Проверено 4 мая 2022 г.
- ^ «Глобальные литейные заводы» . Архивировано из оригинала 9 мая 2013 г. Проверено 28 марта 2012 г.
- ^ «От песка к кремнию: создание чипа» (пресс-релиз). Технология Интел. 11 ноября 2011 г. Проверено 8 июня 2013 г.
- ^ Чау, Роберт (6 ноября 2003 г.). «Масштабирование диэлектрика затвора для КМОП: от SiO 2 /PolySi до High-K/Metal-Gate» (информационный документ) (пресс-релиз). Технология Интел . Проверено 8 июня 2013 г.
- ^ Хоббс, CC; Фонсека, LRC; Книжник, А. (2004). «Закрепление уровня Ферми на границе раздела поликремний/оксид металла. Часть I». Транзакции IEEE на электронных устройствах . 51 (6): 971–977. дои : 10.1109/TED.2004.829513 . S2CID 45952996 .