Металлические ворота

Металлический затвор в контексте боковой стопки металл-оксид-полупроводник (МОП) представляет собой электрод затвора, отделенный оксидом от канала транзистора - материал затвора изготовлен из металла. В большинстве МОП-транзисторов примерно с середины 1970-х годов буква «М», обозначающая металл, была заменена на поликремний , но название осталось.

Алюминиевые ворота

Первый МОП-транзистор (полевой транзистор металл-оксид-полупроводник) был изготовлен Мохамедом Аталлой и Давоном Кангом в Bell Labs в 1959 году и продемонстрирован в 1960 году. ^[1] В качестве материала канала они использовали кремний и несамоцентрирующийся алюминиевый затвор. ^[2] Алюминиевый металл затвора (обычно наносимый в испарительной вакуумной камере на поверхность пластины) был обычным явлением в начале 1970-х годов.

Поликремний

К концу 1970-х годов промышленность отошла от алюминия в качестве материала затвора в стопке металл-оксид-полупроводник из-за сложностей изготовления и проблем с производительностью. ^{[ нужна ссылка ]} был использован материал под названием поликремний ( поликристаллический кремний , сильно легированный донорами или акцепторами для снижения его электрического сопротивления) Для замены алюминия .

Поликремний легко наносится методом химического осаждения из паровой фазы (CVD) и устойчив к последующим этапам производства, которые включают чрезвычайно высокие температуры (свыше 900–1000 ° C), где нет металла. В частности, металл (чаще всего алюминий — легирующая добавка типа III ( P-типа )) имеет тенденцию диспергироваться в кремний ( сплав с ним) во время этих стадий термического отжига . ^[3]^[4] В частности, при использовании на кремниевой пластине с кристаллической ориентацией < 1 1 1 > чрезмерное легирование алюминия (в результате длительных этапов высокотемпературной обработки) с нижележащим кремнием может создать короткое замыкание между диффузными областями истока или стока полевого транзистора под алюминий и через металлургический переход в нижележащую подложку, что приводит к неустранимым сбоям в схеме. Эти шорты состоят из шипов пирамидальной формы из кремниево - алюминиевого сплава , направленных вертикально «вниз» в кремниевую пластину. Практический предел высокой температуры отжига алюминия на кремнии составляет порядка 450 °C. Поликремний также привлекателен тем, что позволяет легко изготавливать самовыравнивающиеся затворы . Имплантация или диффузия примесей легирующей примеси источника и стока осуществляется при установленном затворе, что приводит к идеально совмещенному с затвором каналу без дополнительных литографических шагов с возможностью смещения слоев.

НМОП и КМОП

В технологиях NMOS и CMOS со временем и при повышенных температурах положительные напряжения, используемые структурой затвора, могут привести к тому, что любые существующие положительно заряженные примеси натрия непосредственно под положительно заряженным затвором будут диффундировать через диэлектрик затвора и мигрировать в менее положительно заряженный канал. поверхность, где положительный заряд натрия оказывает более сильное влияние на создание канала, что снижает пороговое напряжение N-канального транзистора и потенциально приводит к сбоям с течением времени. Более ранние технологии PMOS не были чувствительны к этому эффекту, поскольку положительно заряженный натрий естественным образом притягивался к отрицательно заряженному затвору и от канала, сводя к минимуму сдвиги порогового напряжения. N-канальные процессы с металлическими затворами (в 1970-х годах) предъявляли очень высокие стандарты чистоты (отсутствие натрия ), которых было трудно достичь за этот период времени, что приводило к высоким производственным затратам. Поликремниевые ворота – хотя они и чувствительны к тому же явлению, но могут подвергаться воздействию небольших количеств Газ HCl во время последующей высокотемпературной обработки (обычно называемой « геттерированием ») вступает в реакцию с любым натрием , связываясь с ним с образованием NaCl и унося его с газовым потоком, оставляя структуру затвора, по существу, не содержащую натрия, что значительно повышает надежность.

Однако легированный на практике поликремний не обеспечивает почти нулевое электрическое сопротивление металлов и, следовательно, не идеален для зарядки и разрядки емкости затвора транзистора , что потенциально может привести к замедлению работы схемы.

Современные процессы возвращаются к металлу

Начиная с узла 45 нм , возвращается технология металлических затворов вместе с использованием материалов с высокой диэлектрической способностью ( high-κ ), впервые разработанных Intel.

Кандидатами на роль электрода с металлическим затвором являются NMOS, Ta, TaN, Nb (одиночный металлический затвор) и PMOS WN/RuO ₂ (металлический затвор PMOS обычно состоит из двух слоев металла). Благодаря этому решению можно повысить деформационную способность канала (за счет металлического затвора). Кроме того, это позволяет уменьшить токовые возмущения (вибрации) в затворе (за счет расположения электронов внутри металла).

См. также

Ссылки

^ «1960 — Демонстрация металлооксидно-полупроводникового (МОП) транзистора» . Кремниевый двигатель . Музей истории компьютеров . Проверено 25 сентября 2019 г.
^ Войнигеску, Сорин (2013). Высокочастотные интегральные схемы . Издательство Кембриджского университета . п. 164. ИСБН 9780521873024 .
^ «Металлизация: технология алюминия» .
^ Фудзикава, Син-итиро; Хирано, Кен-ичи; Фукусима, Ёсиаки (декабрь 1978 г.). «Диффузия кремния в алюминий» Металлургические операции А . 9 : 1811–1815. дои : 10.1007/BF02663412 .

[computerhistory-1] «1960 — Демонстрация металлооксидно-полупроводникового (МОП) транзистора» . Кремниевый двигатель . Музей истории компьютеров . Проверено 25 сентября 2019 г.

[2] Войнигеску, Сорин (2013). Высокочастотные интегральные схемы . Издательство Кембриджского университета . п. 164. ИСБН 9780521873024 .

[3] «Металлизация: технология алюминия» .

[4] Фудзикава, Син-итиро; Хирано, Кен-ичи; Фукусима, Ёсиаки (декабрь 1978 г.). «Диффузия кремния в алюминий» Металлургические операции А . 9 : 1811–1815. дои : 10.1007/BF02663412 .

[1]

[2]

[3]

[4]