为什么用多晶硅取代铝做栅极材料?

张明 0 2024-03-13

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栅（Gate）是一种控制元件，通常用于场效应晶体管（FET）中，比如金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）等。可以用铝或多晶硅做栅极材料，是什么原因呢？为什么铝又渐渐被其他材料所取代呢？

什么是栅/栅极？

栅，英文名Gate，门的意思。通过改变栅极电压，可以控制硅表面是否形成一个导电通道，进而控制电子（或空穴）的流动，就像开启或关闭一扇门一样。当栅极电压超过一定阈值时，允许源极（Source）到漏极（Drain）之间的电流流动；反之，通道关闭，电流被阻断。另外栅极可以用来放大微弱的信号等作用。

铝栅和多晶硅栅工艺技术？

早期的MOSFET使用铝（Al）作为栅材料，因为铝是具有较低的电阻率，能够有效地传递控制电压至栅氧化层，从而控制沟道中的电流。铝栅极一般的做法是在蒸发真空室内将铝蒸发并沉积到晶圆表面上。

通过化学气相沉积（CVD）技术沉积一层均匀的多晶硅层，再通过掺杂过程（扩散或离子注入）引入杂质原子（如磷或硼），以调节其电导率。这使得多晶硅栅可以精准地控制下方沟道区的电导性。

为什么多晶硅取代了铝？

由于制造复杂性和性能问题，业界已不再将铝作为栅极材料，而选择了多晶硅。

铝无法胜任自对准栅极工艺

在制造过程中，如果栅极掩模未对准，则会产生输入电容的寄生重叠。由于这些寄生现象，晶体管的开关速度会降低。因此，为了避免这种情况，解决方法之一就是自对准栅极工艺。

漏极和源极的掺杂工艺需要非常高温的退火工艺(超过800°C)。如果在如此高的温度将Al用作栅极材料，Al会熔化(铝的熔点660℃)，会扩散到下层的硅层而导致短路。然而，多晶硅不会熔化。多晶硅栅极使自对准过程成为可能。

铝栅极造成更高的工作电压

使用铝金属作为栅极材料可产生高阈值电压，而多晶硅具有与体硅沟道相似的成分，阈值电压更低。而且多晶硅可以被注入或掺杂精确地改变材料的功函数，使得多晶硅的工作电压更低。

还有哪些更加优秀的栅极材料？

从45 nm 节点开始，金属栅极技术重新回归。比如，对于NMOS，金属栅电极的候选材料是Ta、TaN、Nb，对于PMOS，则是 WN/RuO 2

当然也会选用一些高K值材料，比如二氧化铪（HfO2）、氧化锆（ZrO2）等。

内容来源：Tom聊芯片智造

责任编辑：展源

审　　核：何发