Metalowa elektroda bramkowa
Metalowe elektrody bramki ( angielski metalu bramy (elektroda) ), o którym mowa w dziedzinie technologii półprzewodników, jednego metalu istniejącego elektrodę bramki ( elektrodą sterującą przekazania) izolowanego bramki tranzystora polowego ( IGFET , z. B. MOSFET ). Różni się od elektrod bramkowych wykonanych z polikrzemu ( polikrystaliczna postać krzemu , zwana również technologią bramek krzemowych ), które od końca lat 70-tych zastępują stosowane wcześniej elektrody bramkowe wykonane z aluminium ( technologia bramek aluminiowych ) i od tego czasu były głównie używane w układach scalonych (IC) w technologii CMOS .
fabuła
Metale charakteryzują się między innymi wysokim przewodnictwem elektrycznym (ze względu na duże stężenie nośników ładunku ). Dlatego zawsze były stosowane w elektrotechnice do połączeń elektrycznych i jako materiał elektrod . Już we wczesnych dniach mikroelektroniki metale (zwykle aluminium, które było osadzane w postaci pary na powierzchni płytki w komorze próżniowej ) były początkowo używane jako materiał na elektrodę sterującą (bramkę) tranzystorów polowych. Wraz ze wzrastającą integracją , to znaczy zmniejszeniem rozmiarów obwodów mikroelektronicznych, pojawiły się jednak komplikacje przy wytwarzaniu i eksploatacji tak wytwarzanych tranzystorów (stosunkowo wysokie napięcie progowe, niski budżet cieplny itp.). Dlatego pod koniec lat sześćdziesiątych i na początku siedemdziesiątych przemysł półprzewodników porzucił metal jako materiał bramki w stosie warstw tranzystorów polowych typu metal-tlenek-półprzewodnik (MOSFET), które są głównie używane . Zamiast tego zastąpiono silnie domieszkowany (w celu zmniejszenia oporu elektrycznego ) polikrzem (patrz technologia bramek krzemowych). Miało to różne przyczyny:
- Metale na ogół mają tendencję do rozprzestrzeniania się w wysokich lub bardzo wysokich temperaturach, to znaczy do częściowej dyfuzji do sąsiednich materiałów lub nawet tworzenia z nimi stopów (np. Krzemków ), co jest częściowo wykorzystywane w produkcji. Jednak na etapach obróbki cieplnej stosowanych na różnych etapach produkcji zawsze istnieje ryzyko, że metal będzie dyfundował do podłoża krzemowego i negatywnie wpływał na jego właściwości elektryczne. Dyfuzja jonów metali, np. B. zanieczyszczenia sodu w aluminium, na przykład, mogą prowadzić do zmiany napięcia progowego tranzystora. Dodatnie napięcia bramki stosowane w technologii NMOS i CMOS wspierają ten proces, ponieważ jony dodatnie są przeciągane przez dielektryk w kierunku kanału przez pole elektryczne. Wczesne techniki PMOS były mniej wrażliwe na ten efekt, ponieważ do bramki przykładane są napięcia ujemne, które przeciwdziałają dryfowaniu jonów dodatnich w kierunku kanału. Dlatego w produkcji IC nadal kładzie się szczególny nacisk na czystość, zwłaszcza w odniesieniu do zanieczyszczeń metalicznych. Wtedy jednak takie standardy były trudne do osiągnięcia i wiązały się z wysokimi kosztami. Ponadto polikrzem jest generalnie podlega w tym względzie przez stosowanie niskich stężeniach gazowego chlorowodoru , ale jest (HCI) podczas kolejnych etapów wysokotemperaturowe sodu w postaci chlorku sodu (NaCl) związany ( pochłaniacza ) i można je usunąć za pomocą strumienia gazu. Umożliwiło to osiągnięcie struktury bramki w dużej mierze pozbawionej sodu, co znacznie poprawiło niezawodność elementów półprzewodnikowych.
- Stosowany wówczas materiał elektrody, aluminium, prowadzi do korozji wżerowej krzemu przy wyższej lub dłuższej obróbce termicznej . Przyczyną tego jest dobra rozpuszczalność krzemu w aluminium. Oznacza to, że krzem dyfunduje do aluminium, szczególnie w wyższych temperaturach, pozostawiając puste przestrzenie na powierzchni. Ze względu na niską temperaturę topnienia (660 ° C) aluminium z kolei dyfunduje do tych pustych przestrzeni i je wypełnia. Oba procesy razem prowadzą do powstania „cierni” w kształcie piramid, wykonanych z aluminium w podłożu krzemowym, które mogą osiągnąć głębokość kilku mikrometrów. Dlatego są one wystarczająco głębokie, aby wpływać na warstwy barierowe nawet przy wielkości tranzystora w danym czasie , co może prowadzić do zwarć między źródłem a drenem lub innego nieodwracalnego uszkodzenia obwodu elektrycznego. Aby ograniczyć ten efekt, aluminium można stapiać z ok. 0,5% do 1% krzemu lub można wbudować barierę dyfuzyjną pomiędzy krzemem i aluminium.
- Alternatywny materiał polikrzemowy można z jednej strony bardzo łatwo osadzać za pomocą chemicznego osadzania z fazy gazowej (CVD), az drugiej strony jest on znacznie mniej wrażliwy niż aluminium na wysokie temperatury w kolejnych etapach produkcji (w zakresie 900-1000 ° C). Co więcej, może być solidnie stosowany w procesach wprowadzanych w tym czasie z samonastawnymi elektrodami bramkowymi, które umożliwiają wytwarzanie optymalnie wyrównanej bramki bez dodatkowej struktury fotolitograficznej i możliwej niewspółosiowości (patrz nakładka ). Implantacji lub dyfuzji domieszek źródłowych i spustowych może odbywać się z istniejącym elektrodą bramki, bo to już zostało domieszkowane na znacznie wyższym poziomie fosforu i dodatkowych domieszek mają prawie żadnego wpływu na zachowanie elektrycznego.
- Polikrzem ma niższą funkcję pracy niż aluminium, sprzyjał obniżeniu napięcia progowego, które było konieczne w ciągłej redukcji tranzystorów, aby kontynuować pracę przy porównywalnych natężeniach pola elektrycznego .
Polikrzem ma niską rezystancję właściwą przy typowo stosowanych stężeniach domieszkowania , ale jest ona nadal znacznie wyższa niż w przypadku wielu metali. Wyższy opór elektryczny bramki pogarsza właściwości elektryczne obwodu w odniesieniu do ładowania i rozładowywania pojemności bramki tranzystora , co skutkuje wolniejszymi czasami przełączania, patrz element RC .
W węźle technologicznym 45 nm coraz częściej stosowane są metalowe elektrody bramkowe. Oprócz materiałów nieprzewodzących o wysokiej stałej dielektrycznej ( materiał high-k ), stanowią one drugą ważną część technologii tzw. Metalowych bramek high-k + , którą Intel po raz pierwszy zastosował w produkcji przemysłowej. Ponieważ nie tylko wysoka przewodność elektryczna, ale także inne właściwości elektryczne, takie jak funkcja pracy, są ważne przy wyborze materiału, aluminium jest tutaj używane tylko (jeśli w ogóle) jako materiał elektrody wtórnej. Inne metale są używane jako pierwotny materiał elektrody, to znaczy stykają się z materiałem o wysokim współczynniku k i są skierowane w stronę kanału tranzystora. W przypadku NMOS brane są pod uwagę między innymi tantal , azotek tantalu lub niob , a dla PMOS na przykład stos warstw wykonany z azotku wolframu i tlenku rutenu (IV) . Dokładny wybór zależy jednak od wybranej integracji, czyli technologii produkcji. Również w tych przypadkach elektroda bramki niekoniecznie składa się wyłącznie z metali. Często jednak grubsza warstwa polikrzemu, który został silikonowany na górnej stronie, znajduje się na złożonym stosie warstw różnych metali.
Sekwencja procesu „technologii bram aluminiowych” (lata 60. XX wieku)
Poniżej opisano produkcję tranzystorów polowych z kanałem p i układów scalonych przy użyciu technologii planarnej z metalową elektrodą bramkową, co było powszechne w latach sześćdziesiątych XX wieku przed wprowadzeniem technologii bramki krzemowej. Najpierw gruba warstwa dwutlenku krzemu (zwana tlenkiem polowym) została utworzona na monokrystalicznej płytce krzemowej domieszkowanej n, na przykład przez termiczne utlenianie krzemu . Następnie obszary źródła i drenażu domieszkowano borem, a następnie lokalnie usunięto tlenek pola (strukturyzacja fotolitograficzna i mokre trawienie chemiczne ), a następnie w kontrolowanych warunkach ponownie wytworzono cienki tlenek termiczny (tlenek bramki). Analogicznie do obszaru przewężki, zdefiniowano obecnie obszary źródła i odpływu (strukturyzacja fotolitograficzna i mokre trawienie chemiczne). W ostatnim etapie osadzono i ustrukturowano aluminium, aby stykało się z trzema elektrodami tranzystorowymi.
Indywidualne dowody
- ↑ Sami Franssila: Wprowadzenie do mikrofabrykacji . John Wiley & Sons, 2004, ISBN 0-470-85105-8 , rozdział 25 CMOS Transistor Fabrication , s. 255 ff .
- ↑ Federico Faggin, Thomas Klein: Szybsza generacja urządzeń MOS z niskimi progami wznosi się na szczycie nowej fali, układy scalone Silicon-Gate . W: Elektronika . taśma 42 , nie. 20 , 1969, s. 88 ( faksymile [dostęp 1 sierpnia 2015]).