一、背景：从“理想栅”到“真实结构”的距离

在MOSFET的理论模型中，我们通常假设多晶硅栅（poly gate）正好位于沟道上方，栅氧化层（gate oxide）与沟道区完美对齐，源极与漏极之间的电场分布对称且均匀。

但在真实工艺中，这种理想边界并不会存在。在刻蚀、氧化、沉积、离子注入、再生长（reoxidation）等步骤中，栅边缘往往会出现细微的形貌特征，其中最常见的一种，就是poly protrusion（多晶硅凸出）。

这个“凸出”虽然尺寸往往只有几纳米到十几纳米，但它对器件的电气特性、可靠性以及短沟道效应（Short Channel Effect, SCE）都有不可忽视的影响。

二、什么是 Poly Protrusion？

Poly protrusion 是指：

这意味着：

• Poly并非严格停在active边界；

  
  

• 它“探”进了LDD或extension区域；

  
  

• 这个区域的下方仍然有轻微的氧化层，但厚度、界面状态与沟道下方并不完全一致。

  
  

三、形成机理：它不是设计，而是“工艺的自然结果”

Poly protrusion的出现与多个关键制程步骤有关：

1. Poly刻蚀（Etch）阶段

• 在刻蚀poly gate时，使用的是Cl₂/HBr/O₂等气体体系；
  
• 由于氧化层（SiO₂）与poly的刻蚀选择比有限；
  
• 边缘会形成轻微侧向残留（lateral overetch或underetch）；
  
• 造成poly边缘相对于active区“伸出”数纳米。
  

2. Gate reoxidation（栅氧化再生长）

• Etch后的poly表面容易吸附残留杂质；
  
• 工艺会在poly侧壁上进行一次轻微氧化以钝化；
  
• 这时氧化层厚度在poly边缘变厚，使得poly看起来“埋进”oxide里；
  
• 实际在形貌上形成凸出效果。
  

3. LDD/Extension离子注入阶段

• 注入时，poly作为屏蔽结构；
  
• 凸出的poly会改变离子进入沟道边缘的角度与分布；
  
• 最终在源漏extension掺杂中形成非对称的电场梯度。
  

四、Poly Protrusion 的物理作用与影响

下面从器件物理角度详细解释它的作用。

1. 改善短沟道效应（Short Channel Effect, SCE）

短沟道效应的本质是：

当沟道变短时，源漏的电场相互干扰，使得沟道势垒降低，阈值电压（Vth）下降，漏电流上升。

Poly protrusion 通过向源漏延伸几纳米，相当于：

• 在源漏边缘增加了一段受栅控制的弱沟道区；
  
• 实际“有效沟道长度”略有增加；
  
• 屏蔽了部分源漏电场耦合。
  

结果：

• 阈值电压 roll-off 减缓；
  
• DIBL（Drain Induced Barrier Lowering）降低；
  
• 器件短沟道控制增强。
  

2. 优化电场分布，减少热载流子效应（HCI）

HCI 效应通常发生在栅边缘的高电场区域。Poly protrusion 的存在使得栅电场分布更平滑：

• 凸出的poly下方形成“缓冲区”，电场峰值减弱；
  
• 载流子加速过程更缓，碰撞电离概率降低；
  
• 减少界面态生成与阱区损伤。
  

结果：

器件可靠性提升，阈值漂移速率降低。

3. 调节 Gate-to-Source/Drain 重叠电容（Cov）

Poly protrusion 的延伸使得栅与源漏之间的重叠面积略有增加。

这会带来两个相对对立的影响：

在高性能逻辑电路中（如CPU逻辑单元），可能希望protrusion尽量小以提升速度；然而在高可靠性应用中（如SRAM、模拟电路），则希望保留一定长度以提升阈值稳定性。

4. 匹配性与对称性问题

在模拟电路（如差分对输入级）中，如果poly protrusion在左右晶体管上不一致，会造成：

• 阈值电压 mismatch；
  
• gm 不平衡；
  
• 输入offset电压偏移。
  

因此在layout设计中，通常会通过：

• 双向对称poly绘制；
  
• Dummy poly结构；
  
• 精确CMP厚度控制来保证protrusion一致性。
  

五、在先进制程中的延伸：FinFET 与 GAA 中的“3D Protrusion”

在FinFET中虽然栅结构从平面变为环绕式栅（wrap-around gate），但类似的“protrusion”效应依然存在：

• Fin顶部与侧壁的氧化速率不同；
  
• 栅金属（或多晶硅）在三维刻蚀中存在形貌偏差；
  
• 在源漏fin肩部仍会形成effective protrusion。
  

在GAA（Gate-All-Around）结构中，类似效应体现在：

Gate metal包裹纳米线（nanosheet）时的延伸长度（gate overlap region）。

在先进制程中，这种延伸往往成为精准调节阈值电压、控制短沟道效应的重要参数。

六、学芯屋总结：一个微小结构的“大作用”

Poly protrusion 是半导体制造中一个“工艺生成、性能优化”的细节，它以纳米级的延伸，换来的是器件的可靠性与短沟道控制。