文章來源：半導體與物理

原文作者：jjfly686

本文介紹了芯片結構的柵極（Gate）。

柵極（Gate）是晶體管的核心控制結構，位于源極（Source）和漏極（Drain）之間。其功能類似于“開關”，通過施加電壓控制源漏極之間的電流通斷。例如，在MOS管中，柵極電壓的變化會在半導體表面形成導電溝道，從而調節電流的導通與截止。

柵極材料與關鍵工藝

柵極材料的演變

傳統多晶硅柵極

早期采用多晶硅（Poly-Si）作為柵極材料，但因其電阻較高且與High-k介電層兼容性差，逐漸被金屬柵極取代。

金屬柵極

現代先進工藝使用金屬材料（如鎢、鈷、鈦等）或金屬硅化物（如硅化鎢、硅化鈦），具有低電阻和高穩定性優勢。

功函數金屬層

通過鈦等金屬調節晶體管的閾值電壓，例如在N型/P型晶體管中分別使用不同金屬組合。

關鍵工藝技術

原子層沉積（ALD）

用于沉積高均勻性的High-k介電層（如氧化鉿）或金屬層，確保薄膜厚度精確到原子級別。

化學機械拋光（CMP）

用于金屬柵極的平坦化處理，避免后續工藝中的金屬殘留問題。

柵極制造的典型流程

襯底與柵介質層制備

襯底處理

在硅襯底上生長氧化層或High-k介電層（如HfO?），作為柵極與溝道之間的絕緣層。

界面鈍化

通過惰性氣體等離子體處理去除界面游離元素（如氧或硅），防止后續高溫工藝中形成二氧化硅缺陷層。

柵極結構形成

多晶硅/金屬沉積

通過物理氣相沉積（PVD）或化學氣相沉積（CVD）形成多晶硅層或金屬層。

疊層結構構建

例如，在DRAM器件中，依次堆疊多晶硅層、阻擋層（如硅氮化鈦）和金屬硅化物層，以抑制離子擴散。

圖案化與刻蝕

利用光刻和干法刻蝕技術定義柵極形狀，需精確控制線寬以匹配納米級晶體管尺寸。

金屬柵極的先進工藝

偽柵極替換（Replacement Gate）

虛設柵極形成

在FinFET或GAA晶體管中，先用多晶硅制作虛設柵極并完成側墻刻蝕。

溝槽填充

移除虛設柵極后，依次沉積High-k介電層、功函數金屬層（如TiN、TaN）和填充金屬（如鎢、鈷）。

平坦化處理

通過CMP去除多余金屬，確保柵極與層間介質層平整。