芯片制造中的多晶硅介绍

文章来源：半导体与物理

原文作者：jjfly686

本文主要介绍芯片制造中的多晶硅。

多晶硅（Poly- Si）

多晶硅（Polycrystalline Silicon，简称Poly）是由无数微小硅晶粒组成的非单晶硅材料。与单晶硅（如硅衬底）不同，多晶硅的晶粒尺寸通常在几十到几百纳米之间，晶粒间存在晶界。

多晶硅的合成方法：LPCVD工艺

低压化学气相沉积是制备多晶硅的主流技术，其核心是通过硅烷（SiH₄）热分解生成硅原子并沉积成膜。

SiH4→Si+2H2↑

低温（<600℃）生成非晶硅，高温（>600℃）形成多晶硅。反应腔压力维持在0.1-1 Torr（低压环境提升薄膜均匀性）。

P型与N型多晶硅的合成

多晶硅的导电类型通过掺杂实现，分为P型（掺硼）和N型（掺磷/砷），工艺方法包括离子注入和原位掺杂：

离子注入（主流技术）

N型掺杂：注入磷（P⁺）或砷（As⁺），剂量1×10¹⁵–1×10¹⁶ cm⁻²，能量10-50 keV；

P型掺杂：注入硼（B⁺），剂量与能量类似；

退火激活：快速热退火（RTA，900-1000℃）修复晶格损伤，激活杂质原子。

原位掺杂（LPCVD中同步掺杂）

气体掺杂：在SiH₄中混入PH₃（N型）或B₂H₆（P型），直接沉积掺杂多晶硅；

优势：避免注入损伤，但掺杂均匀性控制难度较高。

多晶硅在芯片制造中的核心作用

晶体管栅极材料

在栅绝缘介质上沉积多晶硅→掺杂→刻蚀成形→高温退火。掺杂后电阻率低至10⁻⁴ Ω·cm，传递控制信号；通过N/P型掺杂调节功函数（N-Poly用于NMOS，P-Poly用于PMOS）。

图案转移硬掩膜层

在刻蚀深槽或高深宽比结构时，多晶硅的硬度（莫氏硬度6.5）可保护底层材料。沉积500 nm多晶硅层；光刻定义图案；干法刻蚀多晶硅（Cl₂/HBr等离子体）；以多晶硅为掩膜刻蚀下层介质/金属。

中段工艺（MEOL）接触连接点

在多晶硅与金属（如钨、钴）之间形成低阻接触。在接触孔中沉积掺杂多晶硅，作为金属与硅衬底的过渡层，减少肖特基势垒；在浅沟槽隔离（STI）区域用多晶硅连接相邻器件。

导电层与功函数调控

在FinFET中，多晶硅与High-K介质（如HfO₂）结合，通过掺杂类型和浓度调节阈值电压。N型多晶硅功函数≈4.1 eV，匹配NMOS沟道；P型多晶硅功函数≈5.2 eV，适配PMOS需求。