自己整合ゲート
電子工学において自己整合ゲートとは、MOSFETの耐熱性の高いゲート電極を、ソース/ドレイン領域をドーピングする際のマスクとして使うトランジスタ製造技術である。この技術を使うことで、ゲートとソース/ドレインとの重なりがわずかになる。
自己整合ゲートの使用は、1970年代の計算能力の大幅な向上につながった発明の１つである。自己整合ゲートは未だに多くの現代的な集積回路プロセスで使われている。
歴史
60年代中頃に発展したアルミニウムゲートMOSプロセス技術では、まずMOSトランジスタのソース/ドレイン領域の定義とドーピングを行い、その後ゲートマスクがトランジスタの薄い酸化膜領域を定義する。その後のプロセスにより、薄い酸化膜領域上にアルミニウムゲートが形成され、デバイス製造が完了する。
ゲートマスクとソース/ドレインマスクとのズレは避けられず、大きくズレたとしてもソースとドレインの間に酸化薄膜が作られているためには、ゲート領域とソース/ドレイン領域とが大きく重なっている必要がある。このためゲート-ソース間とゲート-ドレイン間に寄生容量が生じる。寄生容量は小さくなく、ウェハ毎に異なり、ソース/ドレインマスクに対するゲート酸化物マスクのズレに依存する。その結果、集積回路の製造スピードに悪影響を与え、寄生容量を最小限に小さくできた場合の理論値よりも遥かに低いスピードとなる。パフォーマンスに最も悪影響を与えるのは、ゲート-ドレイン寄生容量Cgdである。ミラー効果により、そのトランジスタを一部にもつ回路のゲインを乗じたCgdによってトランジスタのゲート-ソース容量を増大する。よってトランジスタのスイッチングスピードが大きく減少する。
1966年にBowerは、最初にゲート電極を定義するとゲートとソース/ドレイン間の寄生容量を最小化できるだけでなく、ズレが無くなることを示した。彼はアルミニウムゲート電極自身をトランジスタのソース/ドレイン領域を定義するマスクとして使う方法を提案した。しかしアルミニウムはソース/ドレインのドーピングで通常必要な高温に耐えることができないため、Bowerはイオン注入を提案した。イオン注入は新しいドーピング技術で、彼が務めていたヒューズ・エアクラフトではまだ開発中で、他の研究所でも利用できなかった。Bowerのアイデアは理論上では理にかなっていたが、実際には上手くいかなかった。その理由は、トランジスタの不動態化と、イオン注入によってシリコン結晶構造が受ける放射線ダメージの回復ができなかったからである。なぜなら不動態化とダメージの回復はアルミニウムゲートが耐えられる以上の温度が必要だったからである。よって彼の発明は原理の証明を与えたが、商業的な集積回路はBowerの方法では作られなかった。より耐熱性の高いゲート材料が必要であった。
1967年にベル研究所のJohn C. Saraceと共同研究者は、真空蒸着したアモルファスシリコン電極でアルミニウムゲートを置き換えた自己整合ゲートMOSトランジスタを作ることに成功した。
しかしこのプロセスは、説明したように原理の証明にすぎず、離散的なトランジスタ製造のみに適して集積回路には適しておらず、発明者らによってさらに追求されることはなかった。
1968年のMOS産業では高閾値電圧(HVT)のアルミニウムゲートトランジスタが広く使われていたが、MOS集積回路のスピード向上と電力散逸の低下のために低閾値電圧(LVT)のMOSプロセスが望まれた。アルミニウムゲートの低閾値電圧トランジスタは、[100]シリコン方位を使う必要があった。しかしこれにより、寄生MOSトランジスタ(酸化物上のアルミニウムが２つの接合を繋ぐときに作られるMOSトランジスタ)の閾値電圧が小さくなりすぎる。供給電圧以上に寄生閾値電圧を増加させるために、電界酸化物の下の選択された領域でN型ドーピング濃度を増やす必要がある。これは最初はいわゆるチャネルストッパーマスクの使用、後にイオン注入で成し遂げられた。
特許
自己整合ゲート設計は1969年にKerwin、Klein、Saraceのチームによって特許化された。
それとは独立にRobert W. Bowerによって発明された(U.S. 3,472,712、1966年10月27日申請、1969年10月14日交付)。
ベル研究所のKerwinらの特許3,475,234は、R. W. BowerとH. D. Dillが1966年のワシントンD.C.でこの仕事を最初に発表した国際電子デバイスミーティングIEDMの数ヶ月後の1967年3月27日まで出願されなかった。
しかしBowerとDillを含む控訴で、第3巡回控訴裁判所はKerwin、Klein、Saraceが自己整合シリコンゲートトランジスタの真の発明者であると決定した。それに基づき、彼らはUS 3,475,234 の基本特許を授けられた(アメリカの特許システムは、当時のルールにより最初に特許出願した当事者ではなく、最初に発明した当事者に基本特許を授ける)。自己整合ゲートMOSFETを記述したBowerの仕事は、アルミニウムとポリシリコンの両方で作られた。ソース/ドレイン領域を定義するためのマスクとしてゲート電極を用い、イオン注入と拡散の両方を使ってソースとドレインを形成した。ベル研究所のチームは1966年にIEDMのこのミーティングに参加し、Bowerのプレゼンテーションの後1966年にBowerとこの仕事について議論した。Bowerはゲートとしてアルミニウムを用いて最初に自己整合ゲートを作り、1966年のプレゼンテーションの前にゲートとしてポリシリコンを用いてデバイスを作ったと信じた。しかし彼はベル研究所のチームの側についた高等裁判所にそれを証明することができなかった。
自己整合ゲートには一般的に、1960年代の別の半導体プロセスの発明であるイオン注入が含まれる。イオン注入と自己整合ゲートの歴史は非常に関連しており、R.B. Fairによる詳細な歴史で語られている。
自己整合ゲート技術を使った最初の製品は、フェデリコ・ファジンによって設計された1968年のフェアチャイルド3708 8-ビットアナログマルチプレクサで、彼は前述のコンセプトの機能しない証明をその後実際に採用された産業へ変える発明をした。
製造プロセス
自己整合ゲートの重要性は、それらが作られるとき用いられるプロセスで現れる。ソース/ドレイン拡散のマスクとしてゲート酸化物を用いることでプロセスを簡単にし、収率を大きく向上させる。