硅栅技术

硅栅技术（，簡稱SGT），又称硅栅工艺（silicon-gate (MOS) process），是基于绝缘栅场效应晶体管（IGFET）制造集成电路（IC）的一种工艺变体。在此工艺中，栅电极由高掺杂的多晶硅（Poly-Si）制成，取代了此前常用的铝。随着技术的进一步演进（尤其是CMOS技术），硅栅技术成为微电子产品的主导制造技术。然而，在高性能处理器领域，该技术在2000年代中期被重新采用金属栅电极的高k金属栅极技术取代。尽管如此，硅栅技术的原理仍被广泛应用，并一直沿用至28纳米技术节点的产品中。

工艺流程
硅栅工艺属于一种平面工艺，即所有工艺步骤均从表面进行，功能器件紧密排列在表面下方。该工艺最初针对基于p沟道绝缘栅场效应晶体管（p沟道IGFET）的集成电路制造而提出，有时也称为PMOS工艺。在第一阶段，将n型掺杂的单晶硅晶圓进行热氧化，生成厚度超过2 μm的“场氧化物”，用于隔离器件。接着，通过光刻掩蔽有源区（即未来晶体管所在区域），并去除该区域的场氧化物，使硅基底重新暴露。

第二阶段在受控条件下进行热氧化，以在整个有源区生成较薄的栅极氧化物（厚度约100 nm）。随后，通过化学气相沉积（CVD）等方法全区沉积多晶硅。

第三阶段利用光刻掩蔽多晶硅层，随后进行局部蚀刻以定义栅极区域。接着通过硼的离子注入形成源极和漏极区域。与当时标准的铝栅极工艺不同，由于源漏区域在栅极结构化时已被定义并暴露，因此无需进行额外的掩模步骤。在无掩模的离子注入过程中，掺杂原子停留在非电活性区域的场氧化物上方，因而失去电学效用。同时，多晶硅栅电极也实现了预期的硼掺杂。p型掺杂降低了薄膜电阻并改变了功函数，达到预期效果。

在最后一个工艺阶段，会沉积一层较厚的二氧化硅或氮化硅。再次通过光刻对其进行结构化，并打开源极、漏极和栅极的接触孔。最后沉积并结构化铝层，从而形成接触及第一层金属化互连。

优缺点
采用掺杂多晶硅替代金属栅电极后，栅电极与下方沟道半导体之间的功函数差异不再固定，而是可以通过调整硅栅极的掺杂浓度进行设定。例如，对于p沟道器件（在密勒指数为的硅基底上），在电介质厚度保持约100 nm不变的条件下，可使阈值电压从2.7 V（铝）降低至1.6 V（多晶硅）。

通过将多晶硅电极作为晶体管沟道的掩模并进行全区掺杂，源极和漏极区域的定义无需借助额外的光刻掩模，该特性因此被称为“自对准”，彻底消除了铝栅技术中不可避免的高达0.2 µm的栅极与源漏区之间的套刻误差。得益于对准精度的显著提高，以及在必要的退火步骤中掺杂物向栅极下方横向扩散的程度可以忽略不计，栅极-漏极电容大幅降低（在当时的条件下降低至可忽略的值）。此外，硅栅技术所需的光刻步骤数量（四步）与当时的铝栅技术相同。通过分离栅极结构化与接触工艺，并降低电容，器件密度提升了约1.5倍。这些改进共同减少了芯片面积需求，提高了良率，并提升开关速度（寄生电容整体减少约10%，速度提升约3倍）。，但他们早在1967年就已申请专利。同在1968年，费柴尔德（Fairchild）员工佛德里克·法金（Federico Faggin）和托马斯·克莱因（Thomas Klein）基于此开发了一套制造工艺，并展示了首个采用p沟道硅栅技术的集成电路——Fairchild 3708（基于p沟道铝栅技术的现有8通道模拟多路复用器Fairchild 3705的重设版本）。

法金的概念随后被英特尔采纳为半导体存储器件的主要技术。首批采用硅栅技术的商业产品是英特尔基于PMOS技术的SRAM（Intel 1101，1969年）和DRAM（Intel 1103，1970年）。1971年，史上首款微处理器Intel 4004问世。然而，PMOS在开关速度上存在明显限制，因此英特尔在几年后开发了NMOS硅栅技术。此类首款产品是Intel 8080（1974年）。随后出现了HMOS硅栅技术（HMOS即），结合投影曝光技术，进一步提高了集成密度并制造出性能更强的器件。1985年迎来了另一项突破，即高级CMOS工艺（），这是对美国无线电公司在20世纪50年代开发的CMOS技术的进一步演进，并应用于Intel 80386中。与PMOS和NMOS相比，CMOS的优势在于通过结合使用p沟道和n沟道场效应晶体管，显著降低了功耗。然而，其缺点是需要更多的扩散步骤，并且占用面积略大。尽管如此，CMOS硅栅工艺使得针对VLSI应用制造此类电路在成本上变得合理可行。

从当今的角度来看，自20世纪70年代发明以来，直至28纳米工艺节点，硅栅技术及其演进技术（特别是CMOS）一直是制造半导体存储器和集成电路的主导技术。直到2000年代中期引入32纳米工艺节点时，多晶硅才在高性能处理器中再次被取代。新型的高k金属栅极技术重新使用金属栅电极及特殊的电介质，其特点之一是大幅降低了处理器的功率损耗。然而，随硅栅技术引入的在无光刻步骤下自对准定义源漏区域的原理，至今仍被沿用。

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