晶体管栅极多晶硅掺杂的原理和必要性

文章来源：半导体与物理

原文作者：jjfly686

本文介绍了多晶硅作为晶体管的栅极掺杂的原理和必要性。

晶体管栅极需要多晶硅

在早期金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)中，栅极材料曾使用金属(如铝)，但随着芯片制程微缩，多晶硅(Poly-Si)逐渐成为主流选择，其核心优势在于：

工艺兼容性

多晶硅可在高温工艺(如氧化、退火)中保持稳定，与二氧化硅(SiO₂)栅介质层形成完美界面，避免金属扩散污染。

阈值电压可调性

通过掺杂(N型或P型)，可精确调控多晶硅的功函数，匹配NMOS/PMOS的阈值电压需求。

自对准工艺

多晶硅可作为掩膜直接参与源漏离子注入，实现栅极与沟道的自对准，避免光刻偏差。

为什么多晶硅栅极需要掺杂?

未掺杂的多晶硅本质上是半导体(电阻率约10⁵Ω·cm)，无法有效导电。通过离子注入或原位掺杂引入杂质原子，可将其电阻率降低，满足栅极导电需求。更重要的是，掺杂类型(N型或P型)直接影响晶体管的阈值电压和性能。

从功函数角度解释N型/P型掺杂的必要性

功函数(Work Function)是材料表面逸出电子所需的最小能量，决定了栅极与半导体沟道之间的能带对齐方式。多晶硅的功函数可通过掺杂调节，以匹配NMOS和PMOS的不同需求。

1.NMOS晶体管(沟道为P型硅)

目标：当栅极施加正电压时，吸引衬底电子在沟道形成反型层(N型)，开启晶体管。

掺杂选择：使用N型多晶硅(掺磷或砷)，其功函数较低(~4.1eV)，与P型硅的价带(~5.0eV)形成较小势垒，降低阈值电压(Vth)。

物理机制：N型多晶硅的费米能级靠近导带，施加正偏压时更容易弯曲能带，触发强反型。

2.PMOS晶体管(沟道为N型硅)

目标：当栅极施加负电压时，吸引排斥沟道电子形成空穴反型层(P型)，开启晶体管。

掺杂选择：使用P型多晶硅(掺硼)，其功函数较高(~5.2eV)，与N型硅的导带(~4.0eV)形成较大势垒，确保PMOS的正常开启。

物理机制：P型多晶硅的费米能级靠近价带，负偏压下能带弯曲更显著，促进空穴积累。

从载流子浓度角度解析掺杂影响

多晶硅的导电性直接由其载流子浓度决定，而载流子浓度由掺杂水平控制：

1.N型多晶硅(NMOS栅极)

掺杂元素：磷(P)或砷(As)，浓度约10²⁰cm⁻³。

载流子：自由电子浓度高(~10²⁰cm⁻³)，电阻率低(~10⁻⁴Ω·cm)。

作用：确保栅极低电阻，快速响应电压变化;高电子浓度增强栅极对沟道的电场控制。

2.P型多晶硅(PMOS栅极)

掺杂元素：硼(B)，浓度约10²⁰cm⁻³。

载流子：空穴浓度高(~10²⁰cm⁻³)，电阻率与N型相当。

作用：维持栅极导电性，同时通过空穴补偿沟道区的电子，避免寄生导通。