可以用鋁或多晶硅做柵極材料，是什么原因呢？

本文介紹了半導(dǎo)體器件中很重要一種的概念——柵。

柵（Gate）是一種控制元件，通常用于場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）中，比如金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）等?？梢杂娩X或多晶硅做柵極材料，是什么原因呢？為什么鋁又漸漸被其他材料所取代呢？

什么是柵/柵極？

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柵，英文名Gate，門(mén)的意思。通過(guò)改變柵極電壓，可以控制硅表面是否形成一個(gè)導(dǎo)電通道，進(jìn)而控制電子（或空穴）的流動(dòng)，就像開(kāi)啟或關(guān)閉一扇門(mén)一樣。當(dāng)柵極電壓超過(guò)一定閾值時(shí)，允許源極（Source）到漏極（Drain）之間的電流流動(dòng)；反之，通道關(guān)閉，電流被阻斷。另外柵極可以用來(lái)放大微弱的信號(hào)等作用。

鋁柵和多晶硅柵工藝技術(shù)？

早期的MOSFET使用鋁（Al）作為柵材料，因?yàn)殇X是具有較低的電阻率，能夠有效地傳遞控制電壓至柵氧化層，從而控制溝道中的電流。鋁柵極一般的做法是在蒸發(fā)真空室內(nèi)將鋁蒸發(fā)并沉積到晶圓表面上。

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通過(guò)化學(xué)氣相沉積（CVD）技術(shù)沉積一層均勻的多晶硅層，再通過(guò)摻雜過(guò)程（擴(kuò)散或離子注入）引入雜質(zhì)原子（如磷或硼），以調(diào)節(jié)其電導(dǎo)率。這使得多晶硅柵可以精準(zhǔn)地控制下方溝道區(qū)的電導(dǎo)性。

為什么多晶硅取代了鋁？

由于制造復(fù)雜性和性能問(wèn)題，業(yè)界已不再將鋁作為柵極材料，而選擇了多晶硅。

鋁無(wú)法勝任自對(duì)準(zhǔn)柵極工藝

在制造過(guò)程中，如果柵極掩模未對(duì)準(zhǔn)，則會(huì)產(chǎn)生輸入電容的寄生重疊。由于這些寄生現(xiàn)象，晶體管的開(kāi)關(guān)速度會(huì)降低。因此，為了避免這種情況，解決方法之一就是自對(duì)準(zhǔn)柵極工藝。

漏極和源極的摻雜工藝需要非常高溫的退火工藝(超過(guò)800°C)。如果在如此高的溫度將Al用作柵極材料，Al會(huì)熔化(鋁的熔點(diǎn)660℃)，會(huì)擴(kuò)散到下層的硅層而導(dǎo)致短路。然而，多晶硅不會(huì)熔化。多晶硅柵極使自對(duì)準(zhǔn)過(guò)程成為可能。

鋁柵極造成更高的工作電壓

使用鋁金屬作為柵極材料可產(chǎn)生高閾值電壓，而多晶硅具有與體硅溝道相似的成分，閾值電壓更低。而且多晶硅可以被注入或摻雜精確地改變材料的功函數(shù)，使得多晶硅的工作電壓更低。

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還有哪些更加優(yōu)秀的柵極材料？

從45 nm 節(jié)點(diǎn)開(kāi)始，金屬柵極技術(shù)重新回歸。比如，對(duì)于NMOS，金屬柵電極的候選材料是Ta、TaN、Nb，對(duì)于PMOS，則是 WN/RuO2。

當(dāng)然也會(huì)選用一些高K值材料，比如二氧化鉿（HfO2）、氧化鋯（ZrO2）等。

審核編輯：劉清