بوابة معدنية
البوابة المعدنية ، في سياق مكدس المعدن والأكسيد وشبه الموصل الجانبي (MOS)، هي قطب البوابة الذي يفصله أكسيد عن قناة الترانزستور - مادة البوابة مصنوعة من المعدن. في معظم ترانزستورات MOS منذ منتصف سبعينيات القرن العشرين تقريبًا، تم استبدال الحرف "M" للمعدن بالسيليكون المتعدد ، لكن الاسم بقي.
بوابة ألومنيوم
تم تصنيع أول ترانزستور تأثير حقلي معدني أكسيد أشباه الموصلات ( MOSFET ) بواسطة محمد عطا الله وداوون كانج في مختبرات بيل في عام 1959، وتم عرضه في عام 1960. [1] لقد استخدموا السيليكون كمادة قناة وبوابة ألومنيوم غير ذاتية المحاذاة . [2] كان معدن بوابة الألومنيوم (الذي يتم ترسيبه عادة في غرفة فراغ التبخير على سطح الرقاقة) شائعًا خلال أوائل السبعينيات.
البولي سيليكون
بحلول أواخر سبعينيات القرن العشرين، ابتعدت الصناعة عن الألومنيوم باعتباره مادة بوابة في كومة المعدن والأكسيد وأشباه الموصلات بسبب تعقيدات التصنيع وقضايا الأداء. [ بحاجة لمصدر ] تم استخدام مادة تسمى البولي سيليكون ( السيليكون متعدد البلورات ، المضاف إليه قدر كبير من المانحين أو المستقبلين لتقليل مقاومته الكهربائية) لتحل محل الألومنيوم .
يمكن ترسيب البولي سيليكون بسهولة عن طريق الترسيب الكيميائي للبخار (CVD) وهو متسامح مع خطوات التصنيع اللاحقة التي تنطوي على درجات حرارة عالية للغاية (تتجاوز 900-1000 درجة مئوية)، حيث لم يكن المعدن كذلك. على وجه الخصوص، يميل المعدن ( الألومنيوم بشكل شائع - نوع III ( نوع P )) إلى التشتت في ( سبائك مع) السيليكون أثناء خطوات التلدين الحراري هذه . [3] [4] على وجه الخصوص، عند استخدامه على رقاقة سيليكون ذات اتجاه بلوري < 1 1 1 >، فإن السبائك المفرطة للألومنيوم (من خطوات المعالجة ذات درجات الحرارة العالية الممتدة) مع السيليكون الأساسي يمكن أن تخلق ماسًا كهربائيًا بين مناطق مصدر FET المنتشرة أو تصريفها تحت الألومنيوم وعبر الوصلة المعدنية إلى الركيزة الأساسية - مما يتسبب في فشل الدائرة الذي لا يمكن إصلاحه. يتم إنشاء هذه الدوائر القصيرة بواسطة مسامير هرمية الشكل من السيليكون - سبيكة الألومنيوم - تشير عموديًا "لأسفل" في رقاقة السيليكون . الحد العملي لدرجة الحرارة العالية لعملية التلدين للألمنيوم على السيليكون هو حوالي 450 درجة مئوية. كما أن البولي سيليكون جذاب للتصنيع السهل للبوابات ذاتية المحاذاة . يتم إجراء عملية زرع أو نشر شوائب المصدر والصرف مع وجود البوابة في مكانها، مما يؤدي إلى قناة محاذية تمامًا للبوابة دون خطوات ليثوغرافية إضافية مع إمكانية عدم محاذاة الطبقات.
NMOS وCMOS
في تقنيات NMOS و CMOS ، بمرور الوقت ودرجات الحرارة المرتفعة، يمكن أن تتسبب الفولتية الإيجابية التي تستخدمها بنية البوابة في انتشار أي شوائب صوديوم مشحونة إيجابيا موجودة مباشرة تحت البوابة المشحونة إيجابيا عبر عازل البوابة والهجرة إلى سطح القناة الأقل شحنا إيجابيا، حيث يكون للشحنة الموجبة للصوديوم تأثير أعلى على إنشاء القناة - وبالتالي خفض جهد العتبة لترانزستور القناة N واحتمال التسبب في حدوث أعطال بمرور الوقت. لم تكن تقنيات PMOS السابقة حساسة لهذا التأثير لأن الصوديوم المشحون إيجابيا كان ينجذب بشكل طبيعي نحو البوابة المشحونة سلبًا، وبعيدًا عن القناة، مما يقلل من تحولات جهد العتبة. فرضت عمليات البوابة المعدنية ذات القناة N (في السبعينيات) معيارًا عاليًا جدًا من النظافة (غياب الصوديوم ) - يصعب تحقيقه في ذلك الإطار الزمني، مما أدى إلى ارتفاع تكاليف التصنيع. بوابات البولي سيليكون - على الرغم من حساسيتها لنفس الظاهرة، يمكن تعريضها لكميات صغيرة من غاز حمض الهيدروكلوريك أثناء المعالجة اللاحقة ذات درجات الحرارة العالية (والتي تسمى عادة " التفاعل ") للتفاعل مع أي صوديوم ، والارتباط به لتكوين كلوريد الصوديوم وحمله بعيدًا في تيار الغاز، تاركًا بنية بوابة خالية من الصوديوم بشكل أساسي - مما يعزز الموثوقية بشكل كبير.
ومع ذلك، فإن البولي سيليكون المضاف إليه مواد كيميائية على مستويات عملية لا يوفر المقاومة الكهربائية القريبة من الصفر التي توفرها المعادن، وبالتالي فهو ليس مثالياً لشحن وتفريغ سعة البوابة الخاصة بالترانزستور - مما قد يؤدي إلى دوائر كهربائية أبطأ.
العمليات الحديثة تعود إلى المعدن
من عقدة 45 نانومتر فصاعدًا ، تعود تقنية البوابة المعدنية، جنبًا إلى جنب مع استخدام المواد العازلة العالية ( κ-عالية )، والتي كانت رائدة في تطويرات شركة Intel.
المرشحون لإلكترود البوابة المعدنية هم، بالنسبة لـ NMOS، Ta، TaN، Nb (بوابة معدنية واحدة) وبالنسبة لـ PMOS WN/RuO 2 (تتكون بوابة PMOS المعدنية عادةً من طبقتين من المعدن). وبفضل هذا الحل، يمكن تحسين سعة الضغط على القناة (بواسطة البوابة المعدنية). وعلاوة على ذلك، يتيح هذا حدوث اضطرابات تيار أقل (اهتزازات) في البوابة (بسبب توزيع الإلكترونات داخل المعدن).
انظر أيضا
مراجع
- ^ "1960 - عرض ترانزستور أشباه الموصلات المصنوعة من أكسيد المعدن (MOS)". محرك السيليكون . متحف تاريخ الكمبيوتر . تم الاسترجاع في 25 سبتمبر 2019 .
- ^ Voinigescu, Sorin (2013). High-Frequency Integrated Circuits. Cambridge University Press . ص. 164. ISBN 9780521873024.
- ^ "التعدين: تكنولوجيا الألومنيوم".
- ^ فوجيكاوا، شين إيشيرو؛ هيرانو، كين إيتشي؛ فوكوشيما، يوشياكي (ديسمبر 1978). “انتشار السيليكون في الألومنيوم”. المعاملات المعدنية أ . 9 : 1811-1815. دوى :10.1007/BF02663412.
