柵極（Gate）的基本原理、材料選擇和工藝方法

老虎說芯|Tiger Chip|

2025-04-02 22:06:28 900

在晶體管*里，如果將晶體管比作一個可控的“水龍頭”，那么柵極（Gate）就如同控制龍頭開關的閥門，其重要性不言而喻。隨著半導體工藝進入納米時代，柵極的材料與制造工藝不斷進步，成為提升器件性能的關鍵之一。

柵極的技術背景與工作原理

晶體管中的柵極位于源極（Source）與漏極（Drain）之間，通過外加電壓控制半導體溝道內載流子的濃度，從而精確調控源漏間電流的導通與截止。以金屬-氧化物-半導體（MOS）晶體管為例，當在柵極上施加特定電壓時，會在柵氧化層下方形成一個載流子通道，電流便可從源極流向漏極，實現晶體管的“開”狀態。反之，當柵極電壓低于閾值電壓時，通道消失，晶體管處于“關”狀態。

柵極材料的演進與關鍵選擇

柵極材料的發展歷程反映著半導體技術的迭代進步，經歷了從傳統材料到先進金屬材料的深刻變革。

傳統的多晶硅柵極：在早期工藝節點中，多晶硅因工藝成熟、技術路線簡單而廣泛采用。然而，隨著特征尺寸不斷縮小，多晶硅固有的高電阻特性、與高介電常數（High-k）材料兼容性不足等缺陷逐漸顯現，導致性能瓶頸。
先進金屬柵極：為突破多晶硅柵極的局限性，業界轉向具有低電阻率、高導電性、*工藝兼容性的金屬材料。例如鎢（W）、鈦（Ti）、鉭（Ta）、鈷（Co）等金屬或相應的金屬硅化物被逐步引入工藝中，滿足低功耗、高性能的芯片要求。
功函數調節材料：為了實現更精確的閾值電壓（Vt）調控，設計人員通常會針對N型和P型MOS器件分別選用不同功函數的金屬層。這種材料選擇上的差異化設計能夠優化器件性能，使其在不同的電路應用場景下達到最佳狀態。

柵極制造關鍵工藝詳解

隨著半導體制造步入納米級精度時代，柵極結構制造成為一項集精密材料處理和高精度制造工藝于一體的關鍵技術環節。

原子層沉積（Atomic Layer Deposition，ALD）：ALD技術通過逐個原子層*沉積工藝，制備極薄且均勻的高介電常數絕緣層（如氧化鉿）和金屬膜。ALD優勢在于膜厚均勻性、界面精細控制，使得納米級工藝節點下的漏電流與功耗得以大幅降低。
化學機械拋光（Chemical Mechanical Polishing，CMP）：在柵極制備過程中，CMP工藝對柵極材料進行表面平坦化，以保證柵極與其他結構間界面的平整性。這一過程避免了金屬材料在后續制造環節的污染和工藝不兼容問題，確保器件的良品率與性能穩定性。
圖案化與精密刻蝕技術：光刻技術結合干法刻蝕（Dry Etching）工藝，共同完成柵極的精細結構定義。在納米尺度下，對線寬控制的精確度與刻蝕形貌的穩定性至關重要，這不僅影響器件的性能，也關系到芯片的整體可靠性。

金屬柵極的先進工藝技術：偽柵極替換（Replacement Gate）工藝

隨著FinFET、GAA（Gate-All-Around）等先進晶體管結構興起，柵極工藝也進入偽柵極替換時代。這種工藝包括：

虛設柵極形成：首先以易于移除的材料（如多晶硅）制備柵極結構模板，完成晶體管周邊結構的加工與側墻形成。
替換虛設柵極材料：通過濕法或干法刻蝕技術選擇性地移除虛設柵極，然后利用ALD等先進方法沉積高質量的高介電層與功函數金屬，再以鎢、鈷等金屬材料進行溝槽填充。
CMP平坦化工藝：將柵極結構多余金屬材料精密移除，確保晶圓表面的高平整性，滿足后續互聯工藝的嚴格要求。

柵極工藝的類比講解

柵極結構的制造工藝如同建筑高樓的“鋼筋混凝土”施工環節：

ALD沉積
類似于逐層*涂抹水泥砂漿，精細控制每一層的厚度與均勻性；
CMP平坦化
如同地板打磨拋光，將表面不規則凸起精細磨平，確保最終地面平整光滑；
偽柵極替換工藝
則類似于建筑中利用模板預留的空腔空間，再精確灌注高強度混凝土以形成最終結構體，完成質量更高、性能更優的結構設計。

這種形象類比有助于工程師直觀理解復雜工藝背后的技術精髓。

柵極技術不斷發展革新，從傳統多晶硅演變為先進的金屬柵極與功函數調節結構。如今，以FinFET、GAA為代表的三維結構晶體管時代對柵極的制造精度、材料選擇和界面控制提出更高要求。展望未來，隨著半導體產業邁向更小節點，新興材料（如二維材料、碳基材料）的研究與開發將可能引領柵極技術的下一輪變革，為半導體器件性能提升和功耗降低創造更廣闊的空間。

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