Das Gate-Oxid ist die dielektrische Schicht, die den Gate -Anschluss eines MOSFET (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) von den darunterliegenden Source- und Drain-Anschlüssen sowie dem leitenden Kanal trennt, der Source und Drain im eingeschalteten Zustand verbindet. Das Gate-Oxid entsteht durch thermische Oxidation des Siliziums im Kanal, wodurch eine dünne (5–200 nm) Isolierschicht aus Siliziumdioxid gebildet wird. Diese Isolierschicht entsteht durch einen selbstlimitierenden Oxidationsprozess, der durch das Deal-Grove-Modell beschrieben wird . Anschließend wird ein leitfähiges Gate-Material auf das Gate-Oxid aufgebracht, um den Transistor zu bilden. Das Gate-Oxid dient als dielektrische Schicht, sodass das Gate ein transversales elektrisches Feld von bis zu 1–5 MV/cm aushalten kann, um die Leitfähigkeit des Kanals stark zu modulieren.
Über dem Gate-Oxid befindet sich eine dünne Elektrodenschicht aus einem Leitermaterial . Dieses kann Aluminium , hochdotiertes Silizium , ein hochschmelzendes Metall wie Wolfram , ein Silizid ( TiSi₂ , MoSi₂ , TaSi₂ oder WSi₂ ) oder eine Kombination dieser Schichten sein. Diese Gate-Elektrode wird oft als „Gate-Metall“ oder „Gate-Leiter“ bezeichnet. Die geometrische Breite der Gate- Leiterelektrode (in Richtung quer zum Stromfluss) wird als physikalische Gate-Breite bezeichnet. Die physikalische Gate-Breite kann geringfügig von der zur Modellierung des Transistors verwendeten elektrischen Kanalbreite abweichen, da Streufelder auch Leiter beeinflussen können, die nicht unmittelbar unter dem Gate liegen.
Die elektrischen Eigenschaften des Gate-Oxids sind entscheidend für die Ausbildung des leitfähigen Kanalbereichs unterhalb des Gates. Bei NMOS-Bauelementen handelt es sich bei der Zone unterhalb des Gate-Oxids um eine dünne n-leitende Inversionsschicht auf der Oberfläche des p-leitenden Halbleitersubstrats . Diese Schicht wird durch das elektrische Feld des Oxids induziert, das von der angelegten Gate- Spannung V<sub> G</sub> erzeugt wird. Dies wird als Inversionskanal bezeichnet. Er ist der leitende Kanal, der den Elektronenfluss von der Source zur Drain ermöglicht. [ 2 ]
Eine Überbeanspruchung der Gate-Oxidschicht, ein häufiger Ausfallmechanismus von MOS-Bauelementen , kann zu Gate-Bruch oder zu spannungsinduziertem Leckstrom führen .
Bei der Herstellung mittels reaktivem Ionenätzen kann das Gate-Oxid durch den Antenneneffekt beschädigt werden .
Geschichte
1955 gelang es Carl Frosch und Lincoln Derrick bei den Bell Labs zufällig, eine Oxidschicht auf Silizium aufzubringen und ihr Verfahren zu patentieren. [ 3 ] Bereits 1957 kannten Frosch und Derrick die Oberflächenpassivierung durch Siliziumdioxid und stellten das erste Gate-Oxid für Transistoren her. [ 4 ] 1987 leitete Bijan Davari ein Forschungsteam am IBM Thomas J. Watson Research Center , das den ersten MOSFET mit einer 10 nm dicken Gate-Oxidschicht unter Verwendung von Wolfram- Gate-Technologie demonstrierte . [ 5 ]
Siehe auch
Referenzen
- ^ Frosch, CJ; Derick, L (1957). „Oberflächenschutz und selektive Maskierung während der Diffusion in Silizium“ . Journal of the Electrochemical Society . 104 (9): 547. doi : 10.1149/1.2428650 .
- ^ Grundlagen der Festkörperelektronik , Chih-Tang Sah. World Scientific, Erstveröffentlichung 1991, Nachdrucke 1992, 1993 (Taschenbuch), 1994, 1995, 2001, 2002, 2006, ISBN 981-02-0637-2. -- ISBN 981-02-0638-0(pbk).
- ^ US2802760A , Lincoln, Derick & Frosch, Carl J., "Oxidation of semiconductive surfaces for controlled diffusion", erteilt am 13.08.1957
- ^ Frosch, CJ; Derick, L (1957). „Oberflächenschutz und selektive Maskierung während der Diffusion in Silizium“ . Journal of the Electrochemical Society . 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). „Submikron-Wolfram-Gate-MOSFET mit 10 nm Gate-Oxid“ . 1987 Symposium on VLSI Technology. Digest of Technical Papers : 61–62 .
