Metallgrind
En metallport , i samband med en lateral metall-oxid-halvledarstapel (MOS), är grindelektroden separerad av en oxid från transistorns kanal – gatematerialet är tillverkat av en metall. I de flesta MOS-transistorer sedan ungefär mitten av 1970-talet har "M" för metall ersatts av ett icke-metalliskt grindmaterial.
Aluminium grind
Den första MOSFET (metall-oxid-halvledarfälteffekttransistorn) tillverkades av Mohamed Atalla och Dawon Kahng på Bell Labs 1959 och demonstrerades 1960. De använde kisel som kanalmaterial och en icke-självinriktad aluminiumport . Aluminiumportmetall (vanligtvis avsatt i en förångningsvakuumkammare på skivans yta) var vanlig under början av 1970-talet.
Polykisel
I slutet av 1970-talet hade industrin gått bort från aluminium som portmaterial i metall-oxid-halvledarstapeln på grund av tillverkningskomplikationer och prestandaproblem. Ett material som kallas polykisel ( polykristallint kisel , starkt dopat med donatorer eller acceptorer för att minska dess elektriska motstånd) användes för att ersätta aluminium .
Polykisel kan lätt deponeras via kemisk ångavsättning (CVD) och är tolerant mot efterföljande tillverkningssteg som involverar extremt höga temperaturer (över 900–1000 °C), där metall inte var det. Speciellt metall (oftast aluminium - ett dopmedel av typ III ( P-typ )) har en tendens att spridas till ( legera med) kisel under dessa termiska glödgningssteg. I synnerhet när den används på en kiselskiva med < 1 1 1 > kristallorientering, kan överdriven legering av aluminium (från utökade högtemperaturbearbetningssteg) med det underliggande kislet skapa en kortslutning mellan den diffusa FET- källan eller dräneringsområdena under aluminium och över den metallurgiska förbindelsen in i det underliggande substratet – vilket orsakar irreparable kretsfel. Dessa shorts är skapade av pyramidformade spikar av kisel - aluminiumlegering - som pekar vertikalt "nedåt " i kiselskivan . Den praktiska högtemperaturgränsen för glödgning av aluminium på kisel är i storleksordningen 450 °C. Polysilikon är också attraktivt för enkel tillverkning av självjusterade grindar . Implantationen eller diffusionen av käll- och dräneringsdopningsföroreningar utförs med porten på plats, vilket leder till en kanal perfekt inriktad mot porten utan ytterligare litografiska steg med risk för felinriktning av skikten.
NMOS och CMOS
I NMOS- och CMOS -teknologier, över tid och förhöjda temperaturer, kan de positiva spänningarna som används av gate-strukturen orsaka att alla befintliga positivt laddade natriumföroreningar direkt under den positivt laddade gate diffunderar genom gate-dielektrikumet och migrerar till den mindre positivt laddade kanalen. yta, där den positiva natriumladdningen har en högre effekt på kanalskapandet – vilket sänker tröskelspänningen för en N-kanalstransistor och kan potentiellt orsaka fel över tiden. Tidigare PMOS -teknologier var inte känsliga för denna effekt eftersom det positivt laddade natriumet naturligt attraherades mot den negativt laddade grinden och bort från kanalen, vilket minimerade tröskelspänningsförskjutningar. N-kanal, metallportprocesser (på 1970-talet) införde en mycket hög renhetsstandard (frånvaro av natrium ) – svåra att uppnå under den tidsramen, vilket resulterade i höga tillverkningskostnader. Polysilikonportar – även om de är känsliga för samma fenomen, kan de utsättas för små mängder HCl- gas under efterföljande högtemperaturbearbetning (vanligen kallad " gettering ") för att reagera med eventuellt natrium , binda med det för att bilda NaCl och föra bort det i gasström, vilket lämnar en väsentligen natriumfri portstruktur – vilket avsevärt förbättrar tillförlitligheten.
Polykisel dopat på praktiska nivåer erbjuder dock inte det elektriska motståndet nära noll hos metaller, och är därför inte idealiskt för laddning och urladdning av gatekapacitansen hos transistorn – vilket potentiellt kan resultera i långsammare kretsar.
Moderna processer återgår till metall
Från 45 nm-noden och framåt , återkommer metallportteknologin, tillsammans med användningen av högdielektriska ( hög-k ) material, banbrytande av Intels utveckling.
Kandidaterna för metallgate-elektroden är, för NMOS, Ta, TaN, Nb (enkel metallport) och för PMOS WN/RuO 2 (PMOS-metallgrinden är normalt sammansatt av två lager av metall). På grund av denna lösning kan töjningskapaciteten på kanalen förbättras (genom metallporten). Dessutom möjliggör detta mindre strömstörningar (vibrationer) i grinden (på grund av elektronernas placering inuti metallen).