文章來源：半導(dǎo)體與物理

原文作者：jjfly686

本文介紹了多晶硅作為晶體管的柵極摻雜的原理和必要性。

晶體管柵極需要多晶硅

在早期金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)中，柵極材料曾使用金屬(如鋁)，但隨著芯片制程微縮，多晶硅(Poly-Si)逐漸成為主流選擇，其核心優(yōu)勢在于：

工藝兼容性

多晶硅可在高溫工藝(如氧化、退火)中保持穩(wěn)定，與二氧化硅(SiO?)柵介質(zhì)層形成完美界面，避免金屬擴散污染。

閾值電壓可調(diào)性

通過摻雜(N型或P型)，可精確調(diào)控多晶硅的功函數(shù)，匹配NMOS/PMOS的閾值電壓需求。

自對準(zhǔn)工藝

多晶硅可作為掩膜直接參與源漏離子注入，實現(xiàn)柵極與溝道的自對準(zhǔn)，避免光刻偏差。

為什么多晶硅柵極需要摻雜?

未摻雜的多晶硅本質(zhì)上是半導(dǎo)體(電阻率約10?Ω·cm)，無法有效導(dǎo)電。通過離子注入或原位摻雜引入雜質(zhì)原子，可將其電阻率降低，滿足柵極導(dǎo)電需求。更重要的是，摻雜類型(N型或P型)直接影響晶體管的閾值電壓和性能。

從功函數(shù)角度解釋N型/P型摻雜的必要性

功函數(shù)(Work Function)是材料表面逸出電子所需的最小能量，決定了柵極與半導(dǎo)體溝道之間的能帶對齊方式。多晶硅的功函數(shù)可通過摻雜調(diào)節(jié)，以匹配NMOS和PMOS的不同需求。

1.NMOS晶體管(溝道為P型硅)

目標(biāo)：當(dāng)柵極施加正電壓時，吸引襯底電子在溝道形成反型層(N型)，開啟晶體管。

摻雜選擇：使用N型多晶硅(摻磷或砷)，其功函數(shù)較低(~4.1eV)，與P型硅的價帶(~5.0eV)形成較小勢壘，降低閾值電壓(Vth)。

物理機制：N型多晶硅的費米能級靠近導(dǎo)帶，施加正偏壓時更容易彎曲能帶，觸發(fā)強反型。

2.PMOS晶體管(溝道為N型硅)

目標(biāo)：當(dāng)柵極施加負(fù)電壓時，吸引排斥溝道電子形成空穴反型層(P型)，開啟晶體管。

摻雜選擇：使用P型多晶硅(摻硼)，其功函數(shù)較高(~5.2eV)，與N型硅的導(dǎo)帶(~4.0eV)形成較大勢壘，確保PMOS的正常開啟。

物理機制：P型多晶硅的費米能級靠近價帶，負(fù)偏壓下能帶彎曲更顯著，促進空穴積累。

從載流子濃度角度解析摻雜影響

多晶硅的導(dǎo)電性直接由其載流子濃度決定，而載流子濃度由摻雜水平控制：

1.N型多晶硅(NMOS柵極)

摻雜元素：磷(P)或砷(As)，濃度約102?cm?3。

載流子：自由電子濃度高(~102?cm?3)，電阻率低(~10??Ω·cm)。

作用：確保柵極低電阻，快速響應(yīng)電壓變化;高電子濃度增強柵極對溝道的電場控制。

2.P型多晶硅(PMOS柵極)

摻雜元素：硼(B)，濃度約102?cm?3。

載流子：空穴濃度高(~102?cm?3)，電阻率與N型相當(dāng)。

作用：維持柵極導(dǎo)電性，同時通過空穴補償溝道區(qū)的電子，避免寄生導(dǎo)通。