Войти
В электронике самовыравнивающийся затвор - это Особенность изготовления транзистора, при которой огнеупорная область электрода затвора полевого транзистора MOSFET (полевой транзистор металл-оксид-полупроводник) используется в качестве маски для легирования исходный и сток регионов. Этот метод гарантирует, что затвор будет слегка перекрывать края истока и стока.
Использование самовыравнивающихся затворов в МОП-транзисторах - одно из ключевых нововведений, которое привело к значительному увеличению вычислительной мощности в 1970-х годах. Самовыравнивающиеся вентили до сих пор используются в большинстве современных интегральных схем процессов.
Схема стандартного полевого МОП-транзистора Интегральные схемы (ИС, или «микросхемы») являются производится в многоступенчатом процессе, в ходе которого на поверхности кремниевого диска, известного как «пластина », создается несколько слоев. Каждый слой создается путем покрытия пластины фоторезистом и последующего воздействия на нее ультрафиолетового света, проходящего через подобную трафарету «маску ». В зависимости от процесса фоторезист, подвергшийся воздействию света, либо затвердевает, либо смягчается, и в любом случае более мягкие части затем смываются. Результатом является микроскопический узор на поверхности пластины, где кремний обнажен, а остальная часть защищена оставшимся фоторезистом.
Затем пластина подвергается различным процессам, которые добавляют или удаляют материалы из частей пластины, которые не защищены фоторезистом. В одном общем процессе пластина нагревается примерно до 1000 ° C, а затем подвергается воздействию газа, содержащего легирующий материал, который изменяет электрические свойства кремния. Это позволяет кремнию стать донором электронов, рецептором электронов или изолятором в зависимости от присадки. В типичной конструкции ИС этот процесс используется для производства отдельных транзисторов, составляющих ключевые элементы ИС.
В конструкции MOSFET (полевой транзистор металл-оксид-полупроводник) три части транзистора - это исток, сток и затвор (см. Схему). Они отделены друг от друга материалами, которые обычно являются изоляционными. «Эффект поля» в названии относится к изменениям проводимости, которые происходят, когда на затвор подается напряжение. Это создает электрическое поле, которое заставляет материал между истоком и стоком становиться проводящим, что приводит к включению транзистора. Поскольку ток не течет от затвора к стоку, энергия переключения полевого транзистора очень мала по сравнению с более ранними типами транзисторов, где затвор (или база, как это было известно) находился на одной линии с током.
В ранних методологиях изготовления ИС проводка между транзисторами была сделана из алюминия. Алюминий плавится при 660 ° C, поэтому его нужно было нанести на один из последних этапов процесса после того, как все этапы легирования были завершены при 1000 ° C.
В общем случае пластина в целом является сначала смещен, чтобы иметь определенное электрическое качество, на иллюстрации основной материал смещен положительно, или «p». Затем маска используется для создания областей, в которых будут размещены отрицательные части транзисторов. Затем пластина нагревается примерно до 1000 ° C и подвергается воздействию газа, который диффундирует в поверхность пластины для получения «n» участков. Затем поверх пластины накладывается тонкий слой изоляционного материала. Наконец, поверх изоляционного слоя наносится рисунок ворот.
Процесс изготовления фотошаблона и литографии несовершенен, поэтому исток и сток не идеально параллельны друг другу. Более того, когда пластина перемещается от шага к шагу, ее необходимо тщательно выровнять, чтобы новая маска находилась в правильном положении относительно предыдущих шагов, и это выравнивание никогда не бывает идеальным. Чтобы затвор действительно перекрывал нижележащие исток и сток, материал затвора должен быть шире, чем зазор между n секциями, обычно в три раза.
В результате затвор содержит значительное количество металла, который действует как конденсатор. Эта паразитная емкость требует, чтобы весь чип работал с высокими уровнями мощности, чтобы гарантировать чистую коммутацию. Кроме того, несовпадение затвора с нижележащими истоком и стоком означает, что существует высокая изменчивость от кристалла к кристаллу, даже если они работают правильно.
Самовыравнивающиеся ворота развивались в несколько этапов до своей нынешней формы. Ключевым достижением стало открытие того, что сильно легированный кремний был достаточно проводящим, чтобы заменить алюминий. Это означало, что слой затвора мог быть создан на любом этапе многоступенчатого процесса изготовления.
В процессе самовыравнивания пластина сначала готовится, покрывая ее изолирующим слоем, что раньше делалось около конец процесса. Затем на затвор наносится узор сверху и сильно легируется. Затем n-секции формируются с использованием маски, которая представляет только внешние края истока и стока, внутренний край этих секций маскируется самим затвором. В результате исток и сток «самовыравниваются» относительно затвора. Поскольку они всегда идеально расположены, нет необходимости делать затвор шире, чем хотелось бы, а паразитная емкость значительно снижается. Время выравнивания и изменчивость от кристалла к кристаллу также сокращаются.
После первых экспериментов с различными материалами затвора с использованием алюминия, молибдена и аморфного кремния, полупроводниковая промышленность почти повсеместно приняла самовыравнивающиеся вентили, изготовленные из поликристаллического кремния, так называемую технологию кремниевых вентилей (SGT), которая имела много дополнительных преимуществ по сравнению с уменьшением паразитных емкостей. Одной из важных особенностей SGT было то, что кремниевый затвор был полностью похоронен под термооксидом высшего качества (один из лучших известных изоляторов), что позволяло создавать новые типы устройств, которые невозможно реализовать с помощью традиционной технологии или с самовыравнивающимися затворами, изготовленными из других материалы. Особенно важны устройства с зарядовой связью (CCD), используемые для датчиков изображения, и устройства энергонезависимой памяти, использующие структуры с плавающим кремниевым затвором. Эти устройства значительно расширили диапазон функциональных возможностей, которые могли быть достигнуты с помощью твердотельной электроники.
Для создания самовыравнивающихся вентилей потребовались определенные инновации:
До этих инноваций самовыравнивающиеся затворы демонстрировались на устройствах с металлическими затворами, но их реальное влияние было на устройства с кремниевыми затворами.
Первый MOSFET был изобретен Мохамедом Аталлой и Давоном Кангом в Bell Labs в 1959 г. Они использовали кремний в качестве материала канала и несамоцентрирующийся алюминий (Al) затвор. Технологический процесс алюминиевого затвора МОП начался с определения и легирования областей истока и стока МОП-транзисторов, за которыми последовала маска затвора, которая определяла область тонкого оксида транзисторов. После дополнительных этапов обработки алюминиевый затвор будет сформирован над областью тонкого оксида, что завершит изготовление устройства. Из-за неизбежного рассогласования маски затвора по отношению к маске истока и стока необходимо было иметь довольно большую площадь перекрытия между областью затвора и областями истока и стока, чтобы гарантировать, что область тонкого оксида будет перекрывать источник и сток, даже в худшем случае смещения. Это требование привело к появлению паразитных емкостей затвор-исток и затвор-сток, которые были большими и менялись от пластины к пластине в зависимости от несоосности оксидной маски затвора относительно маски истока и стока. Результатом был нежелательный разброс в быстродействии производимых интегральных схем и гораздо меньшая скорость, чем это теоретически возможно, если бы паразитные емкости могли быть уменьшены до минимума. Перекрывающаяся емкость с наиболее неблагоприятными последствиями для производительности была паразитной емкостью затвор-сток, Cgd, которая, благодаря хорошо известному эффекту Миллера, увеличивала емкость затвор-исток транзистора на Cgd, умноженную на коэффициент усиления цепь, частью которой был этот транзистор. Результатом стало значительное снижение скорости переключения транзисторов.
В 1966 году Роберт У. Бауэр понял, что, если бы электрод затвора был определен первым, можно было бы не только минимизировать паразитные емкости между затвором, истоком и стоком, но и также делают их нечувствительными к перекосу. Он предложил метод, в котором сам алюминиевый электрод затвора использовался в качестве маски для определения областей истока и стока транзистора. Однако, поскольку алюминий не выдерживал высоких температур, необходимых для обычного легирования переходов истока и стока, Бауэр предложил использовать ионную имплантацию - новый метод легирования, который все еще разрабатывается в Hughes Aircraft, его работодателе, и пока недоступен в других лабораториях.. Хотя идея Бауэра была концептуально разумной, на практике она не сработала, потому что было невозможно адекватно пассивировать транзисторы и исправить радиационные повреждения, нанесенные кристаллической структуре кремния ионной имплантацией, поскольку эти две операции потребовали бы слишком высоких температур. из тех, что уцелели алюминиевые ворота. Таким образом, его изобретение стало доказательством принципа, но коммерческая интегральная схема никогда не производилась с использованием метода Бауэра. Требовался более огнеупорный материал затвора.
В 1967 году Джон С. Сарас и его сотрудники из Bell Labs заменили алюминиевый затвор электродом из аморфного кремния, испаренного в вакууме, и создали рабочие МОП-транзисторы с самовыравнивающимся затвором. Однако описанный процесс был лишь доказательством принципа, подходящим только для изготовления дискретных транзисторов, но не для интегральных схем; и больше не преследовался следователями.
В 1968 году промышленность МОП преимущественно использовала транзисторы с алюминиевым затвором с высоким пороговым напряжением (HVT) и желала иметь процесс МОП с низким пороговым напряжением (LVT). для увеличения скорости и уменьшения рассеиваемой мощности интегральных схем МОП. Транзисторы с низким пороговым напряжением с алюминиевым затвором требовали использования кремниевой ориентации [100], которая, однако, давала слишком низкое пороговое напряжение для паразитных МОП-транзисторов (МОП-транзисторы, создаваемые, когда алюминий над оксидом поля перекрывал два перехода). Чтобы увеличить паразитное пороговое напряжение сверх напряжения питания, необходимо было увеличить уровень легирования N-типа в отдельных областях под полевым оксидом, и это первоначально было достигнуто с использованием так называемой маски ограничителя канала, а затем с ионной имплантацией.
SGT была первой технологией, использованной для изготовления коммерческих МОП-интегральных схем, которая позже получила широкое распространение во всей отрасли в 1960-х годах. В конце 1967 года Том Кляйн, работая в Fairchild Semiconductor RD Labs и подчиняясь Les Vadasz, понял, что работа выхода сильно отличается от P-типа. легированный кремний и кремний N-типа была на 1,1 В ниже, чем разница в работе выхода алюминия и того же кремния N-типа. Это означало, что пороговое напряжение МОП-транзисторов с кремниевым затвором могло быть на 1,1 В ниже порогового напряжения МОП-транзисторов с алюминиевым затвором, изготовленным из того же исходного материала. Следовательно, можно использовать исходный материал с ориентацией кремния [111] и одновременно достичь как адекватного паразитного порогового напряжения, так и транзисторов с низким пороговым напряжением без использования маски ограничителя канала или ионной имплантации под оксид поля. Таким образом, с кремниевым затвором, легированным P-типом, было бы возможно не только создавать самовыравнивающиеся транзисторы затвора, но и процесс с низким пороговым напряжением, используя ту же ориентацию кремния, что и процесс с высоким пороговым напряжением.
В феврале 1968 года Федерико Фаггин присоединился к группе Леса Вадаша и был назначен ответственным за разработку самонастраивающегося затвора с низким пороговым напряжением. MOS техпроцесс. Первой задачей Фаггина было разработать решение для прецизионного травления затвора из аморфного кремния, а затем он создал архитектуру процесса и подробные этапы обработки для изготовления МОП-микросхем с кремниевым затвором. Он также изобрел «скрытые контакты», метод создания прямого контакта между аморфным кремнием и кремниевыми переходами без использования металла, метод, который позволил значительно повысить плотность схемы, особенно для схем со случайной логикой.
После проверки и определения характеристик процесса с использованием разработанного им тестового шаблона, Фаггин к апрелю 1968 года создал первые работающие МОП-транзисторы с кремниевым затвором и тестовые структуры. Затем он разработал первую интегральную схему с кремниевым затвором, Fairchild 3708., 8-битный аналоговый мультиплексор с логикой декодирования, который имел те же функциональные возможности, что и Fairchild 3705, производственная ИС с металлическими затворами, которую Fairchild Semiconductor с трудом изготовила из-за ее довольно жестких спецификаций.
Доступность модели 3708 в июле 1968 года также послужила платформой для дальнейшего улучшения процесса в течение следующих месяцев, что привело к отправке первых 3708 образцов клиентам в октябре 1968 года и сделало их коммерчески доступными для до конца 1968 года. В период с июля по октябрь 1968 года Фаггин добавил к процессу два дополнительных важных шага:
С кремниевым затвором, долговременная надежность МОП-транзисторов вскоре достигла уровня биполярных ИС, что устранило одно из основных препятствий на пути широкого внедрения МОП-технологии.
К концу 1968 года технология кремниевого затвора достигла впечатляющих результатов. Хотя модель 3708 была спроектирована так, чтобы иметь примерно такую же площадь, что и 3705, чтобы облегчить использование того же производственного оборудования, что и 3705, ее можно было сделать значительно меньше. Тем не менее, он имел лучшие характеристики по сравнению с 3705: он был в 5 раз быстрее, имел примерно в 100 раз меньше тока утечки, а сопротивление включения больших транзисторов, составляющих аналоговые переключатели, было в 3 раза ниже.
Технология кремниевого затвора (SGT) была принята Intel с момента ее основания (июль 1968 г.) и через несколько лет стала основной технологией для производства интегрированных МОП-модулей. трассы по всему миру, сохраняющиеся по сей день. Intel также была первой компанией, разработавшей энергонезависимую память на транзисторах с плавающим кремниевым затвором.
Первым чипом памяти, использующим технологию кремниевого затвора, был чип Intel 1101 SRAM (статическая память с произвольным доступом ), изготовлен в 1968 году и продемонстрирован в 1969 году. Первый коммерческий однокристальный микропроцессор, Intel 4004, был разработан Фаггином с использованием его технологии МОП-микросхемы с кремниевым затвором, а также с Марсианом Хоффом, Стэном Мазором и Масатоши Шима.
Конструкция самовыравнивающегося затвора была запатентована в 1969 году командой Кервина, Кляйна и Сараси. Он был независимо изобретен Робертом У. Бауэром (патент США 3,472,712, выдан 14 октября 1969 г., подан 27 октября 1966 г.). Лаборатория Белла Кервин и др. патент 3 475 234 не был подан до 27 марта 1967 года, через несколько месяцев после того, как RW Bower и HD Dill опубликовали и представили первую публикацию этой работы на Международной конференции по электронным устройствам в Вашингтоне, округ Колумбия, в 1966 году.
После судебного иска с участием Бауэра Апелляционный суд третьего округа определил, что Кервин, Кляйн и Сарас были изобретателями самонастраивающегося кремниевого транзистора с затвором. На этом основании им был выдан основной патент США 3 475 234. Фактически, полевой МОП-транзистор с самовыравнивающимся затвором был изобретен Робертом У. Бауэром, США 3 472 712, выдан 14 октября 1969 г., подан 27 октября 1966 г. Патент Bell Labs Kerwin и др. 3475 234 был подан только 27 марта 1967 г., через несколько месяцев после RW. Бауэр и Х.Д. Дилл опубликовали и представили первую публикацию этой работы под названием ИЗОЛИРОВАННЫЕ ВОРОТНИКИ ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ, ИЗГОТОВЛЕННЫЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВОРОТА КАК ИСТОЧНИК-ДРЕНАЖНАЯ МАСКА на Международной конференции по электронным устройствам в Вашингтоне, округ Колумбия, 1966 г. В работе Бауэра описывался самовыравнивающийся затвор. MOSFET, изготовленный как с алюминиевыми, так и с поликремниевыми затворами. Он использовал ионную имплантацию и диффузию для формирования истока и стока, используя электрод затвора в качестве маски для определения областей истока и стока. Команда Bell Labs посетила это собрание IEDM в 1966 году, и они обсудили эту работу с Бауэром после его презентации в 1966 году. Бауэр сначала сделал самовыравнивающиеся ворота, используя алюминий в качестве ворот, и до презентации в 1966 году изготовил устройство. используя поликремний в качестве затвора.
Самовыравнивающийся затвор обычно включает ионную имплантацию, еще одно нововведение в области производства полупроводников 1960-х годов. Истории ионной имплантации и самовыравнивающихся вентилей тесно взаимосвязаны, как подробно рассказано в RB Fair.
Первым коммерческим продуктом, использующим технологию самовыравнивающихся кремниевых вентилей, был Fairchild 8-битный аналоговый мультиплексор 3708, в 1968 году, разработанный Федерико Фаггин, который первым изобрел несколько изобретений, чтобы превратить вышеупомянутые неработающие доказательства концепции в то, что промышленность фактически приняла впоследствии.
Важность самовыравнивающихся ворот заключается в процессе их изготовления. Процесс использования оксида затвора в качестве маски для диффузии истока и стока упрощает процесс и значительно улучшает выход.
Ниже приведены этапы создания самовыравнивающихся ворот:
Чистое помещение, где выполняются эти этапы Эти этапы впервые были созданы Федерико Фаггин и использовался в процессе Silicon Gate Technology, разработанном в Fairchild Semiconductor в 1968 году для изготовления первой коммерческой интегральной схемы с его использованием, Fairchild 3708
![[1]](http://www.intel4004.com/images/iedm_covart.jpg){kind=link}