ゲート酸化膜

ゲート酸化物は、MOSFET（金属酸化物半導体電界効果トランジスタ）のゲート端子を、その下のソースおよびドレイン端子、ならびにトランジスタがオンのときにソースとドレインを接続する導電性チャネルから分離する誘電体層です。ゲート酸化物は、チャネルのシリコンを熱酸化して、薄い（5 - 200 nm）二酸化シリコンの絶縁層を形成することによって形成されます。絶縁性の二酸化シリコン層は、ディール・グローブモデルによって説明される自己制限酸化のプロセスによって形成されます。次に、導電性ゲート材料をゲート酸化物上に堆積してトランジスタを形成します。ゲート酸化物は誘電体層として機能し、ゲートは 1 ～ 5 MV/cm もの横方向電界に耐えることができ、チャネルのコンダクタンスを強力に調整できます。

ゲート酸化物の上には、アルミニウム、高濃度ドープシリコン、タングステンなどの高融点金属、シリサイド（TiSi、MoSi ₂、TaSi、またはWSi ₂ ）、またはこれらの層のサンドイッチなどの導体で作られた薄い電極層があります。このゲート電極は、「ゲート金属」または「ゲート導体」と呼ばれることがよくあります。ゲート導体電極の幾何学的な幅（電流の流れに直交する方向）は、物理ゲート幅と呼ばれます。物理的なゲート幅は、トランジスタをモデル化するのに使用される電気チャネル幅とわずかに異なる場合があります。これは、フリンジ電界がゲートの真下ではない導体に影響を及ぼす可能性があるためです。

ゲート酸化物の電気的特性は、ゲート下の導電性チャネル領域の形成に重要です。NMOS型デバイスでは、ゲート酸化物の下の領域は、p型半導体基板の表面にある薄いn型反転層です。これは、印加ゲート電圧V _Gからの酸化物電界によって誘導されます。これは反転チャネルとして知られています。これは、電子がソースからドレインに流れることを可能にする伝導チャネルです。 ^[2]

MOS デバイスの一般的な故障モードであるゲート酸化膜層への過度のストレスは、ゲートの破裂やストレスによるリーク電流の発生につながる可能性があります。

反応性イオンエッチングによる製造中に、アンテナ効果によってゲート酸化物が損傷する可能性があります。

歴史

1955年、カール・フロッシュとリンカーン・デリックはベル研究所で偶然シリコン上に酸化物層を成長させ、その方法の特許を取得しました。^[3] 1957年までにフロッシュとデリックは二酸化ケイ素による表面パッシベーションに気づき、トランジスタ用の最初のゲート酸化物を作りました。^[4] 1987年、ビジャン・ダヴァリはIBMトーマス・J・ワトソン研究所の研究チームを率いて、タングステンゲート技術を使用して10nmのゲート酸化物の厚さを持つ最初のMOSFETを実証しました。^[5]

参照

ゲート絶縁膜

参考文献

^ Frosch, CJ; Derick, L (1957). 「シリコンの拡散時の表面保護と選択的マスキング」.電気化学協会誌. 104 (9): 547. doi :10.1149/1.2428650.
^ 固体エレクトロニクスの基礎、Chih-Tang Sah。World Scientific、初版 1991 年、再版 1992、1993 (pbk)、1994、1995、2001、2002、2006、ISBN 981-02-0637-2。-- ISBN 981-02-0638-0 (pbk)。
^ US2802760A、リンカーン、デリック、フロッシュ、カール J.、「制御拡散のための半導体表面の酸化」、1957-08-13 発行
^ Frosch, CJ; Derick, L (1957). 「シリコンの拡散時の表面保護と選択的マスキング」.電気化学協会誌. 104 (9): 547. doi :10.1149/1.2428650.
^ Davari, Bijan ; Ting, Chung-Yu; Ahn, Kie Y.; Basavaiah, S.; Hu, Chao-Kun; Taur, Yuan; Wordeman, Matthew R.; Aboelfotoh, O. (1987). 「10 nm ゲート酸化物を備えたサブミクロンタングステンゲート MOSFET」。1987 VLSI テクノロジーに関するシンポジウム。技術論文ダイジェスト: 61–62。

[1] Frosch, CJ; Derick, L (1957). 「シリコンの拡散時の表面保護と選択的マスキング」.電気化学協会誌. 104 (9): 547. doi :10.1149/1.2428650.

[2] 固体エレクトロニクスの基礎、Chih-Tang Sah。World Scientific、初版 1991 年、再版 1992、1993 (pbk)、1994、1995、2001、2002、2006、ISBN 981-02-0637-2。-- ISBN 981-02-0638-0 (pbk)。

[3] US2802760A、リンカーン、デリック、フロッシュ、カール J.、「制御拡散のための半導体表面の酸化」、1957-08-13 発行

[4] Frosch, CJ; Derick, L (1957). 「シリコンの拡散時の表面保護と選択的マスキング」.電気化学協会誌. 104 (9): 547. doi :10.1149/1.2428650.

[Davari1987-5] Davari, Bijan ; Ting, Chung-Yu; Ahn, Kie Y.; Basavaiah, S.; Hu, Chao-Kun; Taur, Yuan; Wordeman, Matthew R.; Aboelfotoh, O. (1987). 「10 nm ゲート酸化物を備えたサブミクロンタングステンゲート MOSFET」。1987 VLSI テクノロジーに関するシンポジウム。技術論文ダイジェスト: 61–62。