9.7.4. Металлический электрод затвора

На сегодняшний день транзисторы изготавливаются с высоколегированным поликремниевым затвором. Приемуществом поликремния является величина его работы выхода, высокая термическая стабильность, совместимость с высокотемпературными этапами обработки и самосовмещённость, которая уменьшает емкость перекрытия между затвором и истоком/стоком. Впрочем, небольшой обедненный слой (около 0,5 нм) всё-таки образуется в поликремниевом материале вблизи поверхности подзатворного диэлектрика. Это приводит к истощени ёмкости, последовательной с ёмкостью подзатворного диэлектрика. Для толщины оксида в диапазоне около 1,5 нм, истощение ёмоксти, связанное с применением поликремниевого затвора, становится важным и уменьшает эффект ёмкости затвора.^{25, 27} В результате, соединение между зтвором и каналом транзистора сокращается. Другой потенциальной проблемой, связанной с применением поликремниевого затвора является необходимость в высоких температурах обработки. Это может вызвать трудности со стабильностью и целостностью high-k подзатворного диэлектрика. Ожидается, что применение поликремниевых затворов должно будет прекратиться после 65 нм технологического процесса.²

Решением вышеописанных проблем является замена традиционного поликремниевого затвора на металлический. Поскольку концентрация носителей в металле значительно выше, чем в поликремнии, обедненный там слой практически отсутствует. Также, металлы могут обрабатываться при значительно более низких температурах, чем поликремний. Среди критериев для выбора правильного металлического материала являются совместимость процессов, термическая стабильность, стабильность на границе раздела металл-диэлектрик и работа выхода. Как обсуждалось ранее, работа выхода влияет на величину порогового напряжения (см. уравнение 17). Выбрав материал, который имеет надлежащую работу выхода, можно отрегулировать пороговое напряжение без необходимости полагаться на изменение уровня легирования канала. Это даёт некоторую свободу действий для оптимизации легирования канала, с целью уменьшения короткоканальных эффектов без ущерба пороговому напряжению. В идеале, предпочтительно иметь двойные затворы с работой выхода, сопоставимой с работой выхода поликремния n⁺ и p⁺ типа.

Были исследованы несколько кандидатов – и металлы и сплавы. Одним аспектом, который усложняет выбор металла это является факт, что предпочтительно иметь различные работы выхода в NMOS и PMOS-транзисторах, с целью адаптировать значение порогового напряжения для каждого из них. Это потребует двух различных материалов или модификации единственного металла затвора. Используются такие двойные металлические затворы, как титан для NMOS и молибден для PMOS. Молибден также может быть использовать как металлический затвор, работа выхода которого может быть изменена имплантацией азота. Кроме того, многообещающими являются такие металлические смеси, такие как Ti-Ni и Ru-Ta. Изменяя металлы в смеси можно регулировать работу выхода для получения правильного правильного значения пороговых напряжений для NMOS и PMOS. Эти подходы находятся в стадии разработки и необходимы дополнительные исследования, чтобы подтвердить их успех.