تأثير استنزاف البولي سيليكون

📅 آخر تحديث: ١ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ١ أغسطس ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 2 صور
الموسوعة الحرة

تُعرف ظاهرة استنزاف البولي سيليكون بأنها تغير غير مرغوب فيه في جهد العتبة لأجهزة MOSFET التي تستخدم البولي سيليكون كمادة للبوابة، مما يؤدي إلى سلوك غير متوقع للدائرة الإلكترونية . [ 1 ] ولحل هذه المشكلة، تم استخدام بوابات معدنية عازلة عالية السماحية (HKMG).

السيليكون متعدد البلورات ، أو ما يُسمى أيضاً بالسيليكون متعدد التبلور، هو مادة تتكون من بلورات سيليكون صغيرة. ويختلف هذا النوع عن السيليكون أحادي البلورة المستخدم في الإلكترونيات شبه الموصلة والخلايا الشمسية ، وعن السيليكون غير المتبلور المستخدم في الأجهزة ذات الأغشية الرقيقة والخلايا الشمسية.

اختيار مادة البوابة

قد يكون موصل البوابة مصنوعًا من البولي سيليكون أو المعدن. سابقًا، كان يُفضّل البولي سيليكون على المعدن نظرًا لتوافقه الجيد مع أكسيد البوابة ( SiO₂ ). إلا أن موصلية طبقة البولي سيليكون منخفضة جدًا، مما يؤدي إلى انخفاض تراكم الشحنات، وبالتالي تأخير في تكوين القناة، ما ينتج عنه تأخيرات غير مرغوب فيها في الدوائر. ولتحسين أداء هذه الطبقة، تُطعّم بشوائب من النوع N أو P لجعلها موصلًا مثاليًا وتقليل التأخير.

عيوب بوابة البولي سيليكون المشوب

الشكل 1 (أ)

Vgs = جهد البوابة، Vth = جهد العتبة، n+ = منطقة N عالية التشويب

في الشكل 1(أ) لترانزستور nMOS ، يُلاحظ أن حاملات الشحنة الحرة تتشتت في جميع أنحاء البنية بسبب غياب مجال كهربائي خارجي . عند تطبيق مجال موجب على البوابة، تترتب حاملات الشحنة المتشتتة كما في الشكل 1(ب) ، وتتحرك الإلكترونات باتجاه طرف البوابة، ولكن نظرًا لتكوين الدائرة المفتوحة، فإنها لا تبدأ بالتدفق. نتيجةً لانفصال الشحنات، تتشكل منطقة استنزاف على سطح التلامس بين البولي سيليكون وأكسيد السيليكون، مما يؤثر بشكل مباشر على تكوين القناة في ترانزستورات MOSFET . [ 2 ]

الشكل 1 (ب)

في ترانزستور NMOS ذي بوابة من السيليكون متعدد التبلور من النوع n+، يُسهم تأثير استنزاف السيليكون متعدد التبلور في تكوين القناة من خلال التأثير المُجتمع للمجال الموجب لأيونات المانح (ND ) والمجال الموجب المُطبق خارجيًا عند طرف البوابة. بشكل أساسي، يُعزز تراكم أيونات المانح المشحونة ( ND ) على السيليكون متعدد التبلور تكوين قناة الانعكاس، وعندما يكون جهد البوابة (Vgs ) أكبر من جهد العتبة (Vth ) ، تتشكل طبقة انعكاس، كما هو موضح في الشكل 1(ب) حيث تتكون قناة الانعكاس من أيونات المستقبل (NA ) ( حاملات الشحنة الأقلية ). [ 3 ] قد يختلف استنزاف السيليكون متعدد التبلور جانبيًا عبر الترانزستور اعتمادًا على عملية التصنيع، مما قد يؤدي إلى تباين كبير في أبعاد الترانزستور. [ 4 ]

إعادة طرح البوابات المعدنية

لهذا السبب، مع انخفاض حجم الأجهزة (من 32 إلى 28 نانومتر)، يتم استبدال البوابات البوليمرية ببوابات معدنية. تُعرف هذه التقنية باسم دمج البوابات المعدنية ذات العازل العالي (HKMG). [ 5 ] [ 6 ] في عام 2011، أصدرت شركة إنتل مجموعة مواد صحفية حول إجراءات تصنيعها لمختلف التقنيات، والتي أظهرت استخدام تقنية البوابات المعدنية. [ 7 ]

كان السيليكون متعدد التبلور المُطعّم يُفضّل سابقًا كمادة للبوابة في أجهزة MOS. استُخدم السيليكون متعدد التبلور نظرًا لتوافق دالة شغله مع ركيزة السيليكون (مما ينتج عنه جهد عتبة منخفض لترانزستور MOSFET ) . أُعيد استخدام البوابات المعدنية عندما استُبدلت مواد العزل الكهربائي SiO₂ بمواد عازلة ذات ثابت عزل كهربائي عالٍ مثل أكسيد الهافنيوم كطبقة أكسيد للبوابة في تقنية CMOS السائدة . [ 8 ] كما يُشكّل السيليكون متعدد التبلور طبقة SiOₓ عند السطح البيني مع عازل البوابة . علاوة على ذلك، يبقى احتمال حدوث تثبيت مستوى فيرمي مرتفعًا. [ 9 ] لذا، فإن تأثير السيليكون متعدد التبلور المُطعّم هو انخفاض غير مرغوب فيه في جهد العتبة لم يُؤخذ في الحسبان أثناء محاكاة الدائرة. لتجنب هذا النوع من التباين في جهد العتبة لترانزستور MOSFET ، يُفضّل حاليًا استخدام البوابة المعدنية على السيليكون متعدد التبلور .

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ ريوس، ر.؛ أرورا، ن. د. (1994). "نموذج تحليلي لتأثير استنزاف البولي سيليكون في ترانزستورات MOSFET". رسائل أجهزة الإلكترونيات IEEE . 15 (4): 129-131 . Bibcode : 1994IEDL...15..129R . doi : 10.1109/55.285407 . S2CID 9878129 . 
  2. ↑ ريوس، ر.؛ أرورا، ن. د. (1994). "نمذجة تأثير استنزاف البولي سيليكون وتأثيره على أداء دوائر CMOS دون الميكرومتر". معاملات IEEE للأجهزة الإلكترونية . 42 (5): 935-943 . doi : 10.1109/16.381991 .
  3. ↑ شوغراف، ك. ف.؛ كينغ، س. س.؛ هو، س. (1993). "تأثير استنزاف البولي سيليكون في تقنية MOS ذات الأكسيد الرقيق" (ملف PDF) . وقائع الندوة الدولية: أنظمة وتطبيقات تقنية VLSI . الصفحات 86-90 . 
  4. ↑ HP Tuinhout، AH Montree، J. Schmitz و PA Stolk، تأثيرات استنزاف البوابة واختراق البورون على مطابقة ترانزستورات CMOS ذات الأبعاد الفرعية العميقة، اجتماع IEEE الدولي لأجهزة الإلكترونيات، الملخص الفني ص. 631-634، 1997.
  5. ↑ أعلنت شركات ARM وIBM وسامسونج وGLOBALFOUNDRIES وSynopsys عن تسليم منصة تصميم HKMG المحسّنة رأسيًا بتقنية 32/28 نانومتر . news.synopsys.com . مؤرشف من الأصل بتاريخ 14 يوليو 2016. تم الاطلاع عليه بتاريخ 4 مايو 2022 .
  6. ↑ "المسابك العالمية" . مؤرشف من الأصل بتاريخ 2013-05-09 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 2012-03-28 .
  7. ↑ "من الرمل إلى السيليكون: صناعة الرقاقة" (بيان صحفي). شركة إنتل للتكنولوجيا. ١١ نوفمبر ٢٠١١. تاريخ الاطلاع: ٨ يونيو ٢٠١٣ .
  8. ↑ تشاو، روبرت (6 نوفمبر 2003). "تصغير عازل البوابة لتقنية CMOS: من SiO₂ / PolySi إلى عازل عالي السماحية/بوابة معدنية" (ورقة بيضاء) (بيان صحفي). شركة إنتل للتكنولوجيا . تاريخ الاسترجاع: 8 يونيو 2013 .
  9. ↑ هوبز، سي سي؛ فونسيكا، إل آر سي؛ كنيجنيك، أ. (2004). "تثبيت مستوى فيرمي عند واجهة البولي سيليكون/أكسيد المعدن - الجزء الأول". معاملات IEEE للأجهزة الإلكترونية . 51 (6): 971-977 . Bibcode : 2004ITED...51..971H . doi : 10.1109/TED.2004.829513 . S2CID 45952996 .