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Die Silizium Gate Technik SGT auch Silizium Gate Prozess genannt engl silicon gate MOS technology process ist eine Fertigungsvariante fur integrierte Schaltungen ICs auf Grundlage von Feldeffekttransistoren mit isolierter Gate Elektrode IGFET bei der die Gate Elektrode aus hochdotierten polykristallinem Silizium Polysilizium Poly Si statt des bis dahin ublichen Aluminiums gefertigt wird 1 Weiterentwicklungen einbezogen vor allem die CMOS Technik ist die Silizium Gate Technik die dominierende Fertigungstechnik fur mikroelektronische Produkte Im Bereich der Hochleistungsprozessoren wurde sie allerdings Mitte 2000er Jahre durch die High k Metal Gate Technik abgelost die wieder eine metallische Gate Elektrode nutzt Das Prinzip der Silizium Gate Technik ist aber weiterhin weit verbreitet und wird fur Produkte bis hin zum 28 nm Technologieknoten eingesetzt Inhaltsverzeichnis 1 Prozessfolge 2 Vor und Nachteile 3 Anwendungsbereiche und Bedeutung 4 Anmerkung 5 Siehe auch 6 EinzelnachweiseProzessfolge BearbeitenDer Silizium Gate Prozess ist ein Planarprozess das heisst alle Prozesse werden von der Oberflache aus durchgefuhrt und die funktionellen Bauteile liegen dicht unter der Oberflache Er wurde ursprunglich fur die Fertigung von integrierten Schaltkreisen auf p Kanal Isolierschichtfeldeffekttransistoren p Kanal IGFET vorgestellt mitunter auch als PMOS Prozess bezeichnet Im ersten Prozessabschnitt wird ein n dotierter Silizium Einkristall Wafer thermisch oxidiert um ein gut 2 µm dickes Feldoxid fur die Isolation der Bauelemente zu erzeugen Anschliessend wird der aktive Bereich dort wo sich spater die Transistoren befinden fotolithografisch maskiert und das Feldoxid in diesem Bereich entfernt so dass das Silizium wieder unbeschichtet ist Im zweiten Prozessabschnitt folgt eine thermische Oxidation unter kontrollierten Bedingungen um zunachst das spatere deutlich dunnere Gate Oxid damals ca 100 nm im gesamten aktiven Bereich zu erzeugen Danach folgt die ganzflachige Abscheidung von Polysilizium bspw durch chemische Gasphasenabscheidung CVD Im dritten Abschnitt wird die Polysilizium Schicht fotolithografische maskiert und anschliessend lokal entfernt um die Gate Bereiche zu definieren Nun folgt die Herstellung der Source Drain Bereiche durch Ionenimplantation von Bor Dazu ist im Gegensatz zum damals ublichen Prozess mit einer Gate Elektrode aus Aluminium siehe Metallische Gate Elektrode Prozessfolge der Aluminium Gate Technik 1960er Jahre kein weiterer Maskenschritt notwendig da diese Bereiche bei der Gate Strukturierung bereits definiert und geoffnet wurden Bei der maskenlosen Ionenimplantation bleiben die Dotieratome uber den elektrisch nicht aktiven Bereichen im Feldoxid stecken so dass sie hier elektrisch unwirksam bleiben Ebenfalls erfolgt eine erwunschte Dotierung der Gate Elektrode aus Polysilizium mit Bor Die p Dotierung fuhrt zu einem geringeren Schichtwiderstand und der gewunschten Anderung der Austrittsarbeit Im letzten Prozessabschnitt erfolgt die Abscheidung einer dicken Schicht aus Siliziumdioxid oder nitrid Diese wird erneut fotolithografisch strukturiert und die Bereiche der Source Drain und Gate Kontakte geoffnet Abschliessend wird Aluminium abgeschieden und strukturiert um so die Kontakt und erste Metallisierungsebene herzustellen Vor und Nachteile BearbeitenDurch den Austausch der metallischen Gate Elektrode durch ein dotiertes Polysilizium ist der Unterschied in der Austrittsarbeit zwischen Gate Elektrode und dem darunterliegenden Halbleiter des Kanals nicht mehr festgelegt sondern kann durch die Dotierung des Silizium Gates eingestellt werden Dies erlaubte beispielsweise fur p Kanal Bauelemente auf lt 100 gt Silizium eine Reduzierung der Schwellspannung von 2 7 V Aluminium auf 1 6 V Polysilizium bei einer gleichbleibenden Dicke des Dielektrikums von ca 100 nm 2 Durch die Nutzung der Polysilizium Elektrode als Maskierung fur den Transistorkanal und der ganzflachigen Dotierung werden die Source und Drain Gebiete ohne weitere Fotomaske definiert in diesem Zusammenhang wird daher von selbst justierend ausrichtend gesprochen Damit eliminierte man den bei der Aluminium Gate Technik unvermeidbaren Overlay Versatz von bis zu 0 2 µm zwischen Gate und den Source Drain Gebieten vollstandig Mit der deutlich verbesserten Ausrichtung und der beim notwendigen Ausheilungsschritt vernachlassigbaren seitlichen Diffusion der Dotierstoffe unter das Gate wird die Gate Drain Kapazitat deutlich verringert fur damalige Verhaltnisse auf einen vernachlassigbar kleinen Wert Des Weiteren benotigt die Silizium Gate Technik gleichviel vier Fotolithografieschritte wie die damals ubliche Aluminium Gate Technik Durch die Trennung der Gate Strukturierung und der Kontaktierung sowie der geringeren Kapazitaten konnten schon jedoch merklich hohere Bauelementdichten Faktor 1 5 erreicht werden Alles zusammen fuhrte zu einem geringeren Flachenbedarf einer verbesserten Produktionsausbeute und einer Erhohung der Schaltgeschwindigkeit ca Faktor 3 durch Reduzierung aller parasitaren Kapazitaten um ca 10 2 Ein weiterer Vorteil von Gate Elektroden aus Silizium gegenuber Aluminium ist das deutlich hohere thermische Budget fur nachfolgende Prozesse wie zum Beispiel Ausheilungsprozesse nach der Ionenimplantation Diffusion Dadurch konnte die Reihenfolge von Diffusion und Aufbringen der Gate Elektrode umgekehrt werden Ermoglicht wird dies durch die sehr viel hohere Schmelztemperatur von Polysilizium im Vergleich zu Aluminium Ts Al 660 2 C sowie dem besseren Schutz des Gate Dielektrikums durch das Gate und dem Schutz Oxid Gleichzeitig erhoht er die Kompatibilitat zum damals ublichen Fertigungsprozess fur Bipolartransistoren welche nun leichter zusammen mit IGFETs auf einen Chip hergestellt werden konnten Anwendungsbereiche und Bedeutung BearbeitenDas Prinzip Polysilizium als Gatematerial zu nutzen wurde erstmals von den Bell Labs Mitarbeitern Robert Kerwin Donald Klein und John Sarace 1968 in einem Artikel 3 veroffentlicht aber bereits 1967 zum Patent angemeldet 4 Noch 1968 entwickelten die Fairchild Mitarbeiter Federico Faggin und Thomas Klein daraus einen Fertigungsprozess und zeigten den ersten integrierten Schaltkreis in p Kanal Silizium Gate Technik den Fairchild 3708 ein Neuentwurf eines bestehenden analogen 8 Kanal Multiplexers in p Kanal Aluminium Gate Technik Fairchild 3705 5 2 6 Faggins Konzept wurde von Intel als primare Technik fur Halbleiterspeicherbauteile aufgegriffen Die ersten kommerziellen Produkte in Silizium Gate Technik waren SRAM Intel 1101 1969 und DRAM Bauteile Intel 1103 1970 in PMOS Technik von Intel 1971 folgte der erste Mikroprozessor uberhaupt der Intel 4004 PMOS hatte jedoch deutliche Beschrankungen in der Schaltgeschwindigkeit weswegen Intel wenige Jahre spater die NMOS Silizium Gate Technik entwickelte Das erste Produkt dieser Art war Intels 8080 1974 Darauf folgten die HMOS Silizium Gate Technik HMOS high performance MOS die zusammen mit der Projektionsbelichtung eine weitere Erhohung der Integrationsdichte und leistungsstarkere Bauteile ermoglichte 1985 folgte ein weiterer Schritt der advanced CMOS process dt etwa fortschrittlicher CMOS Prozess eine Weiterentwicklung der von der RCA in den 1950er Jahren entwickelten CMOS Technik eingesetzt in Intels 80386 Der Vorteil von CMOS ist eine gegenuber PMOS und NMOS deutlich geringere Leistungsaufnahme durch Nutzung von p Kanal und n Kanal Feldeffekttransistoren Sie hat jedoch den Nachteil dass mehr als einen Diffusionsschritt und etwas mehr Flache benotigt Die Fertigung solcher Schaltungen fur VLSI Anwendungen wurde jedoch mit dem CMOS Silizium Gate Prozess zu einem angemessenen Preis moglich Aus heutiger Sicht ist die Silizium Gate Technik und deren Weiterentwicklungen vor allem die CMOS Technik die dominierende Fertigungstechnik fur die Herstellung von Halbleiterspeichern und integrierten Schaltungen seit deren Erfindung in den 1970er Jahren bis hin zum 28 nm Technologieknoten Erst mit der Einfuhrung des 32 nm Technologieknotens Mitte der 2000er Jahre wurde fur Hochleistungsprozessoren Polysilizium als Gate Material wieder ersetzt Die neue High k Metal Gate Technik nutzt wieder eine metallische Gate Elektrode sowie spezielle Dielektrika und zeichnet sich unter anderem durch eine deutlich geringere Verlustleistung der Prozessoren aus Das mit der Silizium Gate Technik eingefuhrte selbstjustierende Prinzip fur die Definition der Source Drain Bereiche ohne einen Fotolithografieschritt wird aber auch hier weiterhin angewendet Anmerkung BearbeitenDer bekannteste Vertreter von Isolierschicht Feldeffekttransistoren engl isolated gate field effect transistor IGFET ist der MOS Feldeffekttransistor Sein Name leitet sich aus der typischen Schichtfolge des Transistors ab das heisst eine metallische Gate Elektrode meist Aluminium die durch ein elektrisch isolierendes Oxid Siliziumdioxid vom halbleitenden Kanalgebiet Silizium getrennt wird Daher der deutschsprachige Name Metall Oxid Halbleiter Feldeffekttransistor engl metal oxide semiconductor field effect transistor MOS FET Dies war Mitte der 1960er Jahre die ubliche Bauform fur planare Feldeffekttransistoren Mit der Einfuhrung und Verbreitung der Silizium Gate Technik wurde diese Bezeichnung weiter beibehalten auch wenn sie nicht mehr dem wirklichen Aufbau entsprach Daher wird die Silizium Gate Technik auch als MOS Technik Prozess bezeichnet Siehe auch BearbeitenPolysiliziumverarmungEinzelnachweise Bearbeiten Hans Gunther Wagemann Tim Schonauer Silizium Planartechnologie Grundprozesse Physik und Bauelemente Springer Verlag 2013 ISBN 978 3 322 80070 1 a b c Federico Faggin Thomas Klein A Faster Generation Of MOS Devices With Low Thresholds Is Riding The Crest Of The New Wave Silicon Gate IC s In Electronics Band 42 Nr 20 1969 S 88 Faksimile abgerufen am 1 August 2015 J C Sarace R E Kerwin D L Klein R Edwards Metal nitride oxide silicon field effect transistors with self aligned gates In Solid State Electronics Band 11 Nr 7 1968 S 653 660 doi 10 1016 0038 1101 68 90067 1 Patent US3475234 Method for making MIS structures Angemeldet am 27 Marz 1967 veroffentlicht am 28 Oktober 1969 Erfinder Robert E Kerwin Donald L Klein John C Sarace F Faggin T Klein L Vadasz Insulated gate field effect transistor integrated circuits with silicon gates In Electron Devices Meeting 1968 International Band 14 1968 S 22 22 doi 10 1109 IEDM 1968 187948 Faksimile abgerufen am 1 August 2015 Abstrakt zum Konferenzbeitrag F Faggin T Klein Silicon gate technology In Solid State Electronics Band 13 Nr 8 1970 S 1125 1144 doi 10 1016 0038 1101 70 90124 3 Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Silizium Gate Technik amp oldid 221408311