Una puerta de metal , en el contexto de una pila lateral de semiconductores de óxido de metal (MOS), es el electrodo de puerta separado por un óxido del canal del transistor; el material de la puerta está hecho de metal. En la mayoría de los transistores MOS desde mediados de la década de 1970, la "M" de metal ha sido reemplazada por polisilicio , pero el nombre se mantuvo.
El primer MOSFET (transistor de efecto de campo semiconductor de óxido metálico) fue fabricado por Mohamed Atalla y Dawon Kahng en Bell Labs en 1959 y demostrado en 1960. [1] Utilizaron silicio como material de canal y un aluminio no autoalineado. puerta. [2] El metal de puerta de aluminio (normalmente depositado en una cámara de vacío de evaporación sobre la superficie de la oblea) era común hasta principios de la década de 1970.
A finales de la década de 1970, la industria se había alejado del aluminio como material de entrada en la pila de semiconductores de óxido metálico debido a complicaciones de fabricación y problemas de rendimiento. [ cita necesaria ] Un material llamado polisilicio ( silicio policristalino , altamente dopado con donantes o aceptores para reducir su resistencia eléctrica) se utilizó para reemplazar el aluminio .
El polisilicio se puede depositar fácilmente mediante deposición química de vapor (CVD) y es tolerante a pasos de fabricación posteriores que implican temperaturas extremadamente altas (superiores a 900-1000 °C), donde el metal no lo era. En particular, el metal (más comúnmente aluminio , un dopante tipo III ( tipo P )) tiene tendencia a dispersarse en ( alearse con) silicio durante estos pasos de recocido térmico . [3] [4] En particular, cuando se utiliza en una oblea de silicio con una orientación de cristal < 1 1 1 >, la aleación excesiva de aluminio (de pasos prolongados de procesamiento a alta temperatura) con el silicio subyacente puede crear un cortocircuito entre el FET difundido. áreas de fuente o drenaje debajo del aluminio y a través de la unión metalúrgica hacia el sustrato subyacente, causando fallas irreparables en el circuito. Estos pantalones cortos se crean mediante púas de silicio ( aleación de aluminio ) con forma piramidal que apuntan verticalmente "hacia abajo" dentro de la oblea de silicio . El límite práctico de alta temperatura para el recocido de aluminio sobre silicio es del orden de 450 °C. El polisilicio también resulta atractivo para la fácil fabricación de puertas autoalineables . La implantación o difusión de las impurezas dopantes de la fuente y el drenaje se lleva a cabo con la compuerta en su lugar, lo que conduce a un canal perfectamente alineado con la compuerta sin pasos litográficos adicionales con el potencial de desalineación de las capas.
En las tecnologías NMOS y CMOS , con el tiempo y las temperaturas elevadas, los voltajes positivos empleados por la estructura de la compuerta pueden causar que cualquier impureza de sodio cargada positivamente directamente debajo de la compuerta cargada positivamente se difunda a través del dieléctrico de la compuerta y migre al canal menos cargado positivamente. superficie, donde la carga positiva de sodio tiene un mayor efecto en la creación del canal, lo que reduce el voltaje umbral de un transistor de canal N y potencialmente causa fallas con el tiempo. Las tecnologías PMOS anteriores no eran sensibles a este efecto porque el sodio cargado positivamente era atraído naturalmente hacia la puerta cargada negativamente y lejos del canal, minimizando los cambios de voltaje umbral. Los procesos de compuerta metálica con canal N (en la década de 1970) imponían un estándar muy alto de limpieza (ausencia de sodio ), difícil de lograr en ese período, lo que resultaba en altos costos de fabricación. Las puertas de polisilicio , si bien son sensibles al mismo fenómeno, podrían exponerse a pequeñas cantidades de gas HCl durante el procesamiento posterior a alta temperatura (comúnmente llamado " getering ") para reaccionar con cualquier sodio , uniéndose a él para formar NaCl y llevándolo en el corriente de gas, dejando una estructura de compuerta esencialmente libre de sodio, lo que mejora enormemente la confiabilidad.
Sin embargo, el polisilicio dopado a niveles prácticos no ofrece la resistencia eléctrica cercana a cero de los metales y, por lo tanto, no es ideal para cargar y descargar la capacitancia de puerta del transistor , lo que podría dar lugar a circuitos más lentos.
A partir del nodo de 45 nm en adelante , regresa la tecnología de puerta metálica, junto con el uso de materiales de alto dieléctrico ( alto κ ), del que Intel fue pionero en los desarrollos.
Los candidatos para el electrodo de puerta metálica son, para NMOS, Ta, TaN, Nb (puerta metálica única) y para PMOS WN/RuO 2 (la puerta metálica PMOS normalmente está compuesta por dos capas de metal). Gracias a esta solución, se puede mejorar la capacidad de deformación del canal (mediante la puerta metálica). Además, esto permite menos perturbaciones (vibraciones) de corriente en la puerta (debido a la disposición de los electrones dentro del metal).