多晶硅在芯片制造中的作用

 

文章来源：半导体与物理

原文作者：jjfly686

本文介绍了集成电路制造中多晶硅的性质、制造和作用。  

在芯片的纳米世界中，多晶硅（Polycrystalline Silicon，简称Poly-Si） 。这种由无数微小硅晶粒组成的材料，凭借其可调的电学性能与卓越的工艺兼容性，成为半导体制造中不可或缺的“多面手”。

多晶硅是什么？——硅原子的“折中态”

多晶硅是硅的一种特殊形态，介于单晶硅与非晶硅之间：

结构特性：由尺寸约10-200 nm的硅晶粒无序堆叠而成，晶粒间存在晶界；

电学特性：未掺杂时为绝缘体，掺杂后为导体；

热稳定性：熔点1414℃，耐受氧化、退火等高温工艺。

与单晶硅对比：

特性	单晶硅（芯片衬底）	多晶硅（功能层）
晶体结构	完美晶格	多晶粒+晶界
电阻调控范围	有限（依赖掺杂浓度）	绝缘体→导体
工艺功能	晶体管沟道	栅极/互连/掩膜

 

多晶硅的制造

多晶硅薄膜通过低压化学气相沉积（LPCVD） 生成，核心流程如下：

1. 反应原理

硅烷气体（SiH₄）在高温下分解：

 

SiH₄(g) → Si(s) + 2H₂(g)  （温度：600-650℃） 

 

温度控制：

<550℃ → 生成非晶硅（无序结构）；600℃ → 形成多晶硅（晶粒尺寸由温度决定）。

2. 工艺步骤

晶圆预处理：清洗硅片并生长10 nm SiO₂缓冲层（减少应力）；

沉积反应：反应室抽真空至0.1-1 Torr；通入SiH₄气体（流量100-500 sccm），加热至620℃；

掺杂处理：离子注入：将磷（N型）或硼（P型）原子轰入晶格；原位掺杂：沉积时混入PH₃（N型）或B₂H₆（P型）气体；

退火激活：快速热退火（RTA, 1000℃/10秒）修复晶格，激活杂质原子。

 

多晶硅在芯片中的作用

1. 晶体管栅极

掺杂调控阈值电压：

N型多晶硅（掺磷）：功函数~4.1 eV，用于NMOS栅极；

P型多晶硅（掺硼）：功函数~5.2 eV，用于PMOS栅极；

优势：与SiO₂栅介质完美兼容，避免金属污染。

2. 局部互连：金属化

多晶硅插塞：在接触孔中填充掺杂多晶硅，连接金属与硅衬底；

硅化降低电阻：沉积钴→退火形成硅化钴（CoSi₂），电阻率降至15 μΩ·cm；7 nm工艺中，接触电阻减少30%。

3. 硬掩膜

高刻蚀选择比：

多晶硅 vs SiO₂：Cl₂/HBr刻蚀选择比>50:1；

多晶硅 vs 硅衬底：SF₆/O₂刻蚀选择比>100:1；