Металлический затвор в контексте боковой стопки металл-оксид-полупроводник (МОП) представляет собой электрод затвора, отделенный оксидом от канала транзистора - материал затвора сделан из металла. В большинстве МОП-транзисторов примерно с середины 1970-х годов буква «М», обозначающая металл, была заменена на поликремний , но название осталось.
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] Они использовали кремний в качестве материала канала и несамоориентированный алюминий. ворота. [2] Алюминиевый металл затвора (обычно наносимый в испарительной вакуумной камере на поверхность пластины) был обычным явлением в начале 1970-х годов.
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 цитация ] Материал под названием поликремний ( поликристаллический кремний , сильно легированный донорами или акцепторами для уменьшения его электрического сопротивления) был использован 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 диффузионным полевым транзистором. области истока или стока под алюминием 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 легирующих примесей источника и стока осуществляется при установленном затворе, что приводит к идеально совмещенному с затвором каналу без дополнительных литографических шагов с возможностью смещения слоев.
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 большее влияние на создание канала, что снижает пороговое напряжение N-канального транзистора и потенциально может привести 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, могут подвергаться воздействию небольших количеств газообразного HCl во время последующей высокотемпературной обработки (обычно называемой « геттерированием »), чтобы вступить в реакцию с любым натрием , связываясь с ним с образованием NaCl и унося его в газовый поток, оставляя затворную структуру практически без 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.
Начиная с узла 45 нм , возвращается технология металлических затворов вместе с использованием материалов с высокой диэлектрической способностью ( high-κ ), впервые использованных разработками 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).