为什么MOS晶体管栅极用多晶硅而不是单晶硅？

在半导体领域，晶体管栅极材料的选择至关重要，多晶硅凭借自身独特优势，成为了栅极材料的不二之选，而单晶硅则难以胜任。

如下图，栅极从最开始的铝栅，到如今主流的成熟技术节点多晶硅栅，再到先进28纳米以下HKMG工艺中的金属栅极。

从材料特性来看，多晶硅由多个取向不同的小晶粒组成，晶体结构不如单晶硅完美，但这一特点在栅极应用中却发挥了重要作用。多晶硅内部存在较多晶界，这些晶界能有效散射载流子，从而减少漏电流和电荷的扩散 ，提高了晶体管的稳定性和可靠性。相比之下，单晶硅晶体结构规整，原子排列有序，虽然具有更高的电子迁移率，但在抑制漏电流方面表现欠佳。

从制作工艺的角度分析，多晶硅在自对准工艺中优势明显。如图在离子注入时，多晶硅可以直接阻挡离子注入，避免了离子对其他区域的不必要掺杂，提高了工艺的精度和可控性。同时，多晶硅的熔点高达1410℃，在制造过程中多次高温热处理（如源漏离子注入后的高温退火，温度可达900℃）时，多晶硅能够保持结构的稳定性，不会发生熔化或变形等问题。而单晶硅的制备过程复杂，对工艺要求极高，且在高温处理过程中，可能会因晶体结构的不均匀性而影响器件的可靠性。

从电学性能角度而言，多晶硅作为半导体，其功函数可通过掺杂不同极性杂质进行灵活调整，这对于控制晶体管的阈值电压至关重要。在PMOS中，掺硼可以降低功函数；在NMOS中，掺磷能够提升功函数，从而实现对器件电学特性的定制化。

多晶硅凭借材料特性与工艺需求的深度契合，在晶体管栅极应用中脱颖而出。它不仅解决了高温工艺中的自对准问题，还实现了对阈值电压的精确控制，成为现代CMOS工艺的基石。尽管在某些性能指标上，多晶硅可能不及单晶硅，但综合考虑，多晶硅无疑是晶体管栅极的最佳选择。