Metalowa brama
Metalowa bramka , w kontekście bocznego stosu metal-tlenek-półprzewodnik (MOS), to elektroda bramki oddzielona tlenkiem od kanału tranzystora - materiał bramki jest wykonany z metalu. W większości tranzystorów MOS od mniej więcej połowy lat 70. litera „M” oznaczająca metal została zastąpiona niemetalowym materiałem bramki.
Brama aluminiowa
Pierwszy tranzystor polowy MOSFET (tranzystor polowy z efektem metal-tlenek-półprzewodnik) został wykonany przez Mohameda Atallę i Dawona Kahnga w Bell Labs w 1959 r. I zademonstrowany w 1960 r. Użyli krzemu jako materiału kanałowego i niesamonastawnej aluminiowej bramki. Aluminiowy metal bramy (zwykle osadzany w komorze próżniowej odparowywania na powierzchni płytki) był powszechny we wczesnych latach siedemdziesiątych.
polikrzem
Pod koniec lat siedemdziesiątych przemysł odszedł od aluminium jako materiału bramki w stosie metal-tlenek-półprzewodnik z powodu komplikacji produkcyjnych i problemów z wydajnością. [ Potrzebne źródło ] Materiał zwany polikrzemem ( krzem polikrystaliczny , silnie domieszkowany donorami lub akceptorami w celu zmniejszenia jego oporności elektrycznej) został użyty do zastąpienia aluminium .
Polikrzem można łatwo osadzać za pomocą chemicznego osadzania z fazy gazowej (CVD) i jest tolerancyjny na kolejne etapy produkcji, które obejmują ekstremalnie wysokie temperatury (przekraczające 900–1000 ° C), w których metal nie był. W szczególności metal (najczęściej aluminium – domieszka typu III ( typu P )) ma tendencję do rozpraszania się w krzem ( stop z) podczas tych etapów wyżarzania termicznego . W szczególności, gdy jest używany na płytce silikonowej z orientacją kryształów < 1 1 1 >, nadmierne stopowanie aluminium (w wyniku długich etapów obróbki w wysokiej temperaturze) z leżącym poniżej krzemem może spowodować zwarcie między obszarami rozproszonego źródła FET lub drenażu pod aluminium i poprzez złącze metalurgiczne do podłoża podłoża – powodując nieodwracalne awarie obwodów. Te szorty są tworzone przez kolce w kształcie piramidy z krzemu - stopu aluminium - skierowane pionowo „w dół” do płytki krzemowej . Praktyczna granica wysokiej temperatury dla wyżarzania aluminium na krzemie jest rzędu 450 ° C. Polikrzem jest również atrakcyjny dla łatwej produkcji samonastawnych bramek . Implantacja lub dyfuzja zanieczyszczeń domieszką źródłową i drenażową jest przeprowadzana przy założonej bramce, prowadząc do kanału idealnie dopasowanego do bramki bez dodatkowych litograficznych z możliwością niewspółosiowości warstw.
NMOS i CMOS
W technologiach NMOS i CMOS , w miarę upływu czasu i w podwyższonych temperaturach, dodatnie napięcia wykorzystywane przez strukturę bramki mogą powodować, że wszelkie istniejące dodatnio naładowane zanieczyszczenia sodowe bezpośrednio pod dodatnio naładowaną bramką dyfundują przez dielektryk bramki i migrują do mniej dodatnio naładowanego kanału powierzchni, gdzie dodatni ładunek sodowy ma większy wpływ na tworzenie kanału – obniżając w ten sposób napięcie progowe tranzystora z kanałem N i potencjalnie powodując awarie w czasie. Wcześniej PMOS technologie nie były wrażliwe na ten efekt, ponieważ dodatnio naładowany sód był naturalnie przyciągany w kierunku ujemnie naładowanej bramki i z dala od kanału, minimalizując progowe przesunięcia napięcia. N-kanałowe procesy z metalowymi bramkami (w latach 70. XX wieku) narzucały bardzo wysoki standard czystości (brak sodu ) – trudny do osiągnięcia w tym czasie, co skutkowało wysokimi kosztami produkcji. Bramki polikrzemowe - choć wrażliwe na to samo zjawisko, mogą być narażone na działanie niewielkich ilości gazowego HCl podczas późniejszej obróbki wysokotemperaturowej (powszechnie nazywanej „ getterowaniem ”). ") reagować z dowolnym sodem , wiążąc się z nim, tworząc NaCl i unosząc go w strumieniu gazu, pozostawiając zasadniczo wolną od sodu strukturę bramki - znacznie zwiększając niezawodność.
Jednak polikrzem domieszkowany na praktycznych poziomach nie zapewnia prawie zerowej rezystancji elektrycznej metali, a zatem nie jest idealny do ładowania i rozładowywania pojemności bramki tranzystora – potencjalnie powodując wolniejsze obwody.
Nowoczesne procesy powracają do metalu
od węzła 45 nm , powraca technologia bramek metalowych wraz z wykorzystaniem materiałów o wysokiej dielektryczności ( wysokiej wartości κ ), zapoczątkowanych przez rozwój firmy Intel.
Kandydatami na elektrodę bramki metalowej są, dla NMOS, Ta, TaN, Nb (pojedyncza bramka metalowa) i dla PMOS WN/RuO 2 (metalowa bramka PMOS jest zwykle złożona z dwóch warstw metalu). Dzięki takiemu rozwiązaniu można poprawić wytrzymałość na odkształcenia kanału (przez metalową bramkę). Co więcej, umożliwia to mniej zakłóceń (wibracji) prądu w bramce (ze względu na rozmieszczenie elektronów wewnątrz metalu).