金屬柵

金屬柵（metal gate），指在橫向金屬氧化物半導體（MOS）結構中，柵電極與晶體管通道之間由氧化層隔開——其柵材料為金屬。自20世紀70年代中期以來，大多數MOS晶體管中「M（金屬）」已被多晶硅取代，但名稱仍沿用。

鋁在<111>硅中合金化形成凹坑。這是在去除集成電路鋁層後通過化學腐蝕顯現的。

鋁柵

首個MOSFET由Mohamed M. Atalla（英語：Mohamed M. Atalla）和Dawon Kahng（英語：Dawon Kahng）在1959年於貝爾實驗室製造，1960年實現演示。^[1]他們採用硅作為溝道材料，並使用非自對準的鋁柵。^[2]鋁柵金屬（通常在真空蒸發室內沉積在晶圓表面）在20世紀 70年代初期非常常見。

多晶硅

到了20世紀70年代末，業界由於製造複雜性及性能問題，逐漸放棄在金屬氧化物半導體結構中使用鋁作為柵材。^{[需要引用]}一種稱為多晶硅（高度摻雜的多晶硅晶粒）被用來替代鋁。

多晶硅可通過化學氣相沉積（CVD）輕鬆沉積，且能耐受後續高溫（900–1000 °C以上）處理——而金屬則不能。尤其是，金屬（常為鋁）在熱退火步驟中容易與硅擴散合金化，導致短路。^[3][4]尤其是在晶體取向為〈1 1 1〉的硅晶圓上，鋁在高溫加工中與硅過度合金化，會在鋁下方的源極或漏極區域和基底的冶金結之間形成金屬化短路，造成無法修復的電路失效。這些短路由金字塔狀的硅-鋁合金尖刺向下貫入硅晶圓。鋁在硅上的實際高溫退火極限約為450  °C。多晶硅還適合製造自對準柵（英語：self-aligned gate）。在柵極就位後進行源極和漏極摻雜劑注入或擴散，通道與柵極完全對準，無需額外光刻步驟，從而避免層間錯位。

NMOS和CMOS

在NMOS邏輯和CMOS技術中，隨着時間和溫度的推移，柵結構所施加的正電壓會導致門介質下的正電性鈉雜質擴散，通過柵介質遷移到電性較低的通道表面。那裡正電荷對通道形成的影響更顯著，降低了N溝道晶體管的閾值電壓，並可能隨着時間引發故障。而早期的PMOS邏輯技術對這一效應不敏感，因為正電的鈉離子被負電的柵極吸引，遠離通道，減少了閾值電壓的漂移。20世紀70年代的N溝道金屬柵工藝對潔淨度（無鈉存在）要求極高，製造成本居高不下。雖然多晶硅柵也對這種現象敏感，但在後續的高溫工藝中可暴露於少量HCl氣體（常稱為「Getter（英語：Getter）」），與鈉反應生成NaCl並隨氣流排出，形成基本無鈉的柵結構，極大提高了可靠性。

但實用摻雜水平的多晶硅電阻並非接近零，對晶體管的柵電容的充放電而言並不理想，可能導致電路速度下降。

現代工藝重返金屬

從45納米製程起，金屬柵技術重新被採用，並配合使用由英特爾率先採用的高介電材料（英語：High-κ dielectric）。

NMOS的金屬柵電極候選材料包括Ta、TaN、Nb（單金屬柵）；PMOS通常由WN/RuO₂構成（金屬柵常由兩層金屬組成）。這種方案可提升通道的應變能力，並使柵內電子排列減少電流擾動（震盪）。

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