Металлический затвор , в контексте латерального стека металл-оксид-полупроводник (МОП) — это электрод затвора, отделенный оксидом от канала транзистора — материал затвора сделан из металла. В большинстве МОП-транзисторов примерно с середины 1970-х годов буква «M» для металла была заменена на поликремний , но название осталось.
Первый МОП-транзистор (полевой транзистор металл-оксид-полупроводник) был создан Мохамедом Аталлой и Давоном Кангом в Bell Labs в 1959 году и продемонстрирован в 1960 году. [1] Они использовали кремний в качестве материала канала и несамосовмещенный алюминиевый затвор. [2] Алюминиевый затвор (обычно наносимый в испарительной вакуумной камере на поверхность пластины) был распространен до начала 1970-х годов.
К концу 1970-х годов промышленность отказалась от алюминия в качестве материала затвора в стеке металл-оксид-полупроводник из-за сложностей в производстве и проблем с производительностью. [ необходима цитата ] Для замены алюминия использовался материал, называемый поликремнием ( поликристаллический кремний , сильно легированный донорами или акцепторами для снижения его электрического сопротивления) .
Поликремний можно легко наносить методом химического осаждения из паровой фазы (CVD), и он устойчив к последующим производственным этапам, которые включают чрезвычайно высокие температуры (свыше 900–1000 °C), в то время как металл не подвергался. В частности, металл (чаще всего алюминий – легирующая примесь типа III ( P-типа )) имеет тенденцию рассеиваться в ( сплавляться с) кремнием во время этих этапов термического отжига . [3] [4] В частности, при использовании на кремниевой пластине с ориентацией кристалла < 1 1 1 > чрезмерное легирование алюминия (из-за расширенных этапов высокотемпературной обработки) с нижележащим кремнием может создать короткое замыкание между диффузными областями источника или стока полевого транзистора под алюминием и через металлургический переход в нижележащую подложку, что приводит к необратимым отказам схемы. Эти короткие замыкания создаются пирамидальными шипами сплава кремния и алюминия , направленными вертикально «вниз» в кремниевую пластину. Практический высокотемпературный предел для отжига алюминия на кремнии составляет порядка 450 °C. Поликремний также привлекателен для простого изготовления самосовмещенных затворов . Имплантация или диффузия легирующих примесей источника и стока осуществляется при установленном затворе, что приводит к каналу, идеально совмещенному с затвором, без дополнительных литографических этапов с потенциальным смещением слоев.
В технологиях NMOS и CMOS с течением времени и при повышенных температурах положительные напряжения, используемые структурой затвора, могут привести к тому, что любые имеющиеся положительно заряженные примеси натрия непосредственно под положительно заряженным затвором будут диффундировать через диэлектрик затвора и мигрировать на менее положительно заряженную поверхность канала, где положительный заряд натрия оказывает более сильное влияние на создание канала, тем самым снижая пороговое напряжение транзистора с каналом N и потенциально вызывая отказы 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. Процессы с металлическим затвором N-канала (в 1970-х годах) налагали очень высокий стандарт чистоты (отсутствие натрия ), чего было трудно достичь в те сроки, что приводило к высоким производственным затратам. Поликремниевые затворы, хотя и чувствительны к тому же явлению, могут подвергаться воздействию небольших количеств газа HCl во время последующей высокотемпературной обработки (обычно называемой « геттерированием »), вступая в реакцию с натрием , связываясь с ним, образуя NaCl и унося его с газовым потоком, в результате чего структура затвора оказывается практически свободной от натрия, что значительно повышает надежность.
Однако поликремний , легированный на практических уровнях, не обеспечивает почти нулевого электрического сопротивления металлов и, следовательно, не является идеальным для зарядки и разрядки емкости затвора транзистора , что может привести к замедлению работы схемы.
Начиная с 45 нм техпроцесса возвращается технология металлических затворов, а также использование материалов с высокой диэлектрической проницаемостью ( high-κ ), впервые разработанных Intel.
Кандидатами на роль металлического затвора являются NMOS, Ta, TaN, Nb (один металлический затвор) и PMOS WN/RuO 2 (металлический затвор PMOS обычно состоит из двух слоев металла). Благодаря этому решению можно улучшить деформационную способность канала (за счет металлического затвора). Кроме того, это позволяет уменьшить возмущения тока (вибрации) в затворе (из-за расположения электронов внутри металла).