Una compuerta metálica , en el contexto de una pila de semiconductores de óxido metálico (MOS) lateral, es el electrodo de compuerta separado por un óxido del canal del transistor; el material de la compuerta está hecho de un 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 de metal-óxido-semiconductor) fue fabricado por Mohamed Atalla y Dawon Kahng en Bell Labs en 1959, y demostrado en 1960. [1] Utilizaron silicio como material del canal y una compuerta de aluminio no autoalineada . [2] El metal de compuerta de aluminio (normalmente depositado en una cámara de vacío de evaporación sobre la superficie de la oblea) fue común hasta principios de la década de 1970.
A fines de la década de 1970, la industria había dejado de utilizar el aluminio como material de compuerta en la pila de metal-óxido-semiconductor debido a complicaciones de fabricación y problemas de rendimiento. [ cita requerida ] Se utilizó un material llamado polisilicio ( silicio policristalino , altamente dopado con donantes o aceptores para reducir su resistencia eléctrica) para reemplazar al aluminio .
El polisilicio se puede depositar fácilmente mediante deposición química en fase de vapor (CVD) y es tolerante a los 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 el aluminio , un dopante de tipo III ( tipo P )) tiene una 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 (debido a los pasos de procesamiento a alta temperatura prolongados) con el silicio subyacente puede crear un cortocircuito entre la fuente FET difusa o las áreas de drenaje debajo del aluminio y a través de la unión metalúrgica hacia el sustrato subyacente, lo que provoca fallas irreparables en el circuito. Estos cortocircuitos se crean por picos de forma piramidal de silicio ( aleación de aluminio ) 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 es atractivo para la fabricación sencilla de compuertas autoalineadas . La implantación o difusión de impurezas dopantes de origen y drenaje se lleva a cabo con la compuerta en su lugar, lo que genera 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 hacer que cualquier impureza de sodio con carga positiva existente directamente debajo de la compuerta con carga positiva se difunda a través del dieléctrico de la compuerta y migre a la superficie del canal con carga menos positiva, donde la carga positiva de sodio tiene un mayor efecto en la creación del canal, lo que reduce el voltaje de 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 con carga positiva era atraído naturalmente hacia la compuerta con carga negativa y se alejaba del canal, lo que minimizaba los cambios de voltaje de umbral. Los procesos de compuerta metálica de canal N (en la década de 1970) imponían un estándar muy alto de limpieza (ausencia de sodio ), difícil de lograr en ese período de tiempo, lo que resultaba en altos costos de fabricación. Las compuertas de polisilicio , si bien son sensibles al mismo fenómeno, podrían estar expuestas a pequeñas cantidades de gas HCl durante el procesamiento posterior a alta temperatura (comúnmente llamado " captación ") para reaccionar con cualquier sodio , uniéndose a él para formar NaCl y llevándolo en la 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 compuerta del transistor , lo que potencialmente da como resultado circuitos más lentos.
A partir del nodo de 45 nm , regresa la tecnología de puerta metálica, junto con el uso de materiales de alto dieléctrico ( alto-κ ), iniciados por los desarrollos de Intel.
Los candidatos para el electrodo de compuerta metálica son, para NMOS, Ta, TaN, Nb (compuerta metálica única) y para PMOS WN/RuO 2 (la compuerta metálica PMOS normalmente está compuesta por dos capas de metal). Debido a esta solución, la capacidad de tensión en el canal se puede mejorar (por la compuerta metálica). Además, esto permite menos perturbaciones de corriente (vibraciones) en la compuerta (debido a la disposición de los electrones dentro del metal).