Эффект истощения поликремния — это явление, при котором наблюдается нежелательное изменение порогового напряжения МОП - транзисторов, использующих поликремний в качестве материала затвора, что приводит к непредсказуемому поведению электронной схемы . [1] Из-за этого изменения для решения проблемы были введены затворы из диэлектрических металлов с высокой проводимостью (High-k Dielectric Metal Gates , HKMG).
Поликристаллический кремний , также называемый поликремнием, представляет собой материал, состоящий из небольших кристаллов кремния. Последний отличается от монокристаллического кремния, используемого для полупроводниковой электроники и солнечных батарей , и от аморфного кремния , используемого для тонкопленочных устройств и солнечных батарей.
Контакт затвора может быть из поликремния или металла, ранее поликремний выбирался вместо металла, поскольку сопряжение между поликремнием и оксидом затвора ( SiO2 ) было благоприятным. Но проводимость слоя поликремния очень низкая, и из-за этой низкой проводимости накопление заряда низкое, что приводит к задержке формирования канала и, следовательно, нежелательным задержкам в цепях. Полислой легируется примесью N-типа или P-типа, чтобы заставить его вести себя как идеальный проводник и уменьшить задержку .
V gs = Напряжение затвора
V th = Пороговое напряжение
n+ = Высоколегированная область N
На рисунке 1(a) nMOS - транзистора видно, что свободные основные носители рассеяны по всей структуре из-за отсутствия внешнего электрического поля . Когда на затвор подается положительное поле, рассеянные носители располагаются, как 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 поликремний-оксид образуется область обеднения, которая напрямую влияет на формирование канала в МОП-транзисторах . [2]
В NMOS с n+ поликремниевым затвором эффект полиистощения способствует формированию канала за счет комбинированного эффекта (+)ve поля донорных ионов (N D ) и внешнего приложенного (+)ve поля на выводе затвора. В основном накопление (+)ve заряженных донорных ионов (N D ) на поликремнии усиливает формирование инверсионного канала, и когда V gs > V th формируется инверсионный слой, что можно увидеть на рисунке 1(b), где инверсионный канал образован акцепторными ионами (N A ) ( неосновными носителями ). [3] Истощение поликремния может изменяться в поперечном направлении по транзистору в зависимости от процесса изготовления, что может привести к значительной изменчивости транзистора в определенных размерах транзистора. [4]
По вышеуказанной причине, поскольку устройства снижаются в масштабировании (узлы 32-28 нм), полигональные затворы заменяются металлическими затворами. Следующая технология известна как интеграция High-k Dielectric Metal Gate (HKMG). [5] [6] В 2011 году Intel выпустила пресс-кит относительно своих процедур изготовления различных узлов, в котором было показано использование технологии металлических затворов. [7]
Ранее в качестве материала затвора в МОП-устройствах предпочитали легированный поликремний. Поликремний использовался, поскольку его рабочая функция совпадала с подложкой Si (что приводило к низкому пороговому напряжению МОП -транзистора ). Металлические затворы были вновь введены в то время, когда диэлектрики SiO 2 заменялись диэлектриками с высоким значением k, такими как оксид гафния, в качестве оксида затвора в основной технологии КМОП . [8] Также на границе с диэлектриком затвора поликремний образует слой SiO x . Более того, сохраняется высокая вероятность закрепления уровня Ферми . [9] Таким образом, эффект с легированным поли представляет собой нежелательное снижение порогового напряжения, которое не учитывалось при моделировании схемы. Чтобы избежать такого рода изменений v th МОП -транзистора , в настоящее время металлический затвор предпочтительнее поликремния .