硅为什么做栅或衬底

**硅分的区分：**非晶硅，多晶硅，单晶硅
硅是集成电路产业的基础，半导体材料中98%是硅，半导体硅工业产业包括多晶硅、单晶硅（直拉和区熔）、外延片和非晶硅等。其中，直拉硅单晶广泛应用于集成电路和中小功率器件。区域熔单晶目前主要用于大功率半导体器件，如整流二极管、硅可控整流器、大功率晶体管等。单晶硅和多晶硅应用最广。
1、为什么用单晶硅做衬底？
保证器件结构的致密性和稳定性。
单晶硅是由多晶硅提纯而来的，多晶硅内有很多晶向的小单元，而单晶硅只有一种晶向。常用到的是<111>和<100>晶向。因为半导体是薄膜工艺，要在硅衬底上生长外延层，在外延层中做器件，用单晶硅做衬底，保证生长的外延层的方向和衬底一致，保证了结构的致密性，稳定性，在整个晶体中都是长程有序，而不是在单个的小单元内是长程有序。
2、关于MOSFET栅极，为什么使用多晶硅代替金属？
**优点：**易于控制MOSFET的临界电压、栅下的接触面缺陷少、多晶硅熔点高；
**缺点：**多晶硅的导电性不如金属、产生“多晶硅耗尽”。
理论上MOSFET的栅极应该尽可能选择导电良好的导体，多晶硅在经过重参杂后的导电性可用于MOSFET的栅极上，但并非是完美的选择。MOSFET使用多晶硅作为栅的理由主要如下三点：
*1. 易于控制MOSFET的临界电压。*MOSFET的临界电压（threshold voltage）主要由栅极与通道材料的功函数（work function）之间的差异来决定，而因为多晶硅本质上是半导体，所以可以通过参杂不同极性的杂质来改变其功函数。更重要的是，因为多晶硅和底下作为通道的硅之间能隙（bandgap）相同，因此在降低PMOS或是NMOS的临界电压时，可以直接调整多晶硅的功函数来达到需求。相反，金属材料的功函数并不像半导体那么易于改变，因此降低MOSFET的临界电压就变得比较困难。而且如果想要同时降低PMOS和NMOS的临界电压，将需要两种不同的金属分别作为其栅极材料，对于制作过程又是一个很大的变量。
*2. 栅下的接触面缺陷少。*硅——二氧化硅接面的这两种材料之间缺陷（defect）相对较少。而金属——绝缘体接面的缺陷多，容易在两者之间形成很多表面能阶，很大的影响元件的特性。（欧姆效应？）
*3. 多晶硅熔点高。*多晶硅的熔点比大多数的金属高，而在现代的半导体制作过程中习惯在高温下沉积栅极材料以增进元件效能。金属熔点低，将会影响制作过程中能使用的温度上限。
虽然多晶硅在过去二十年是制造MOSFET栅极的标准，但也有一些缺点，使得仍然有部分MOSFET使用金属栅，缺点主要如下两点：
*1. 多晶硅的导电性不如金属。*多晶硅的导电性不如金属，限制了信号的传递速度。虽然可以利用参杂的方式改善其导电性，但效果有限。有些熔点较高的金属材料如：钨（Tungsten）、钛（Titanium）、钴（Cobalt）或是镍（Nickel）被用来和多晶硅制成合金。这类材料通常称为金属硅化物（silicide）。另外，加了金属硅化物的多晶硅栅极有较好的导电特性，且能耐高温制作过程。此外因为金属硅化物的位置是在栅极表面，离通道区较远，所以不会对MOSFET的临界电压造成太大的影响。（在栅极、源极与漏极都镀上金属硅化物的制作过程称为“自我对准金属硅化物制程”（Self-Aligned Silicide），通常简称salicide制程。）
*2. 在小尺寸制作下，产生“多晶硅耗尽”。*当MOSFET的尺寸缩的非常小、栅极氧化层也变得非常薄时，例如现在的制程可以把氧化层缩到一纳米左右的厚度，一种过去没有发现的现象也随之产生，这种现象称为“多晶硅耗尽”。当MOSFET的反型层形成时，有多晶硅耗尽现象的MOSFET栅极多晶硅靠近氧化层处，会出现一个耗尽层（depletion layer），影响MOSFET导通特性。要解决这种问题，金属栅极是最好的方案。目前可行的材料包括钽（Tantalum）、钨、氮化钽（Tantalum Nitride），或是氮化钛（Titalium Nitride）。这些金属栅极通常和高介电常数物质形成的氧化层一起构成MOS电容。另一种解决方案是将多晶硅完全的合金化，称为FUSI（Full-Silicide polysilicon gate）制程。
拓展知识：
硅栅自对准：在用来做栅极的多晶硅中，主要是用来做自对准工艺，所谓自对准就是指多晶硅栅界定了有源区的边界，这样离子注入的时候，多晶硅区域挡住了离子，没有多晶硅的区域就被注入了离子形成了有源区，相当于离子注入的时候是自动对准有源区。像铝金属之类的熔点比较低，承受不了离子注入，所以做不了自对准，高熔点的金属就可以。

参考来源
单晶硅做衬底：
https://www.doc88.com/p-543885239870.html?r=1
多晶硅做栅：
https://wenku.baidu.com/view/d1a9481c4afe04a1b171ded3.html