Forskningsprojektet Working on Venus, stöttat av Knut och Alice Wallensbergs stiftelse, syftar till att åstadkomma elektronik som kan fungera på Venus 460 °C varma yta. Här ger vi ett sammandrag av Mattias Ekströms doktorsavhandling ”SiC CMOS and memory devices for high-temperature integrated circuits”.

Utgångspunkten var att med CMOS i kiselkarbid (SiC) möjliggöra en integrerad värmetålig lösning av microcontroller, RAM och icke-flyktiga minneskomponenter i form av ferroelektriska kondensatorer.

CMOS i kiselkarbid är en utmaning och ett till stor del outforskat område.

I arbetet undersöktes en transistorkonstruktion med försänkt kanal. Några av utmaningar för SiC-MOS-arbetet resulterade i en polyoxidbaserad fältoxid, en process för att deponera dielektrikum för gaten, reproducerbara semi-linjerade nickel-aluminium-förbindningar mot kiselkarbid av p-typ och en högtemperaturs kemisk-mekanisk polering (CMP, chemical-mechanical polishing) som möjliggör två metalliseringsskikt av titan-volfram.

En självlinjerad koboltsilicid-kontaktprocess undersöktes. Den visade sig ge lågresistiv kontaktering mot kiselkarbid av n-typ.

Mattias Ekström har demonstrerat inverterare och ringoscillatorer, som fungerar vid 200 °C, med denna transistorkonstruktion har en nedsänkt kanal.

Förångning mot gateoxiden gav fungerande NMOS- och PMOS-transistorer som kunde användas för CMOS-kretsar. Pålitligheten begränsades dock av PMOS-transistorernas låga prestanda.

Förbättringspotential

Mattias Ekström sammanfattar sitt arbete som följande:

Trots att SiC CMOS-processen, med nedsänkt kanal, var bra nog för att demonstrera högtemperaturkretsar visar avhandlingen att det kan finnas bättre alternativ till denna process. De utmaningar som finns i denna process gör det svårt att optimera transistorer för CMOS.

Han konstaterar dock att jonimplanterade bulktransistorer är mer lovande. Den utvecklade processen kan användas för att tillverka NMOS-logik med korta kanaler.

Ferroelektriska kondensatorer är en lämplig kandidat för ett icke-flyktigt minne för högtemperaturtillämpningar. Men mer arbete behövs för att de skall kunna integreras i CMOS.

Filed under: SvenskTeknik, Teknikartiklar