文章來源：半導(dǎo)體與物理

原文作者：jjfly686

本文主要介紹芯片制造中的多晶硅。

多晶硅（Poly- Si）

多晶硅（Polycrystalline Silicon，簡稱Poly）是由無數(shù)微小硅晶粒組成的非單晶硅材料。與單晶硅（如硅襯底）不同，多晶硅的晶粒尺寸通常在幾十到幾百納米之間，晶粒間存在晶界。

多晶硅的合成方法：LPCVD工藝

低壓化學(xué)氣相沉積是制備多晶硅的主流技術(shù)，其核心是通過硅烷（SiH?）熱分解生成硅原子并沉積成膜。

SiH4→Si+2H2↑

低溫（<600℃）生成非晶硅，高溫（>600℃）形成多晶硅。反應(yīng)腔壓力維持在0.1-1 Torr（低壓環(huán)境提升薄膜均勻性）。

P型與N型多晶硅的合成

多晶硅的導(dǎo)電類型通過摻雜實現(xiàn)，分為P型（摻硼）和N型（摻磷/砷），工藝方法包括離子注入和原位摻雜：

離子注入（主流技術(shù)）

N型摻雜：注入磷（P?）或砷（As?），劑量1×101?–1×101? cm?2，能量10-50 keV；

P型摻雜：注入硼（B?），劑量與能量類似；

退火激活：快速熱退火（RTA，900-1000℃）修復(fù)晶格損傷，激活雜質(zhì)原子。

原位摻雜（LPCVD中同步摻雜）

氣體摻雜：在SiH?中混入PH?（N型）或B?H?（P型），直接沉積摻雜多晶硅；

優(yōu)勢：避免注入損傷，但摻雜均勻性控制難度較高。

多晶硅在芯片制造中的核心作用

晶體管柵極材料

在柵絕緣介質(zhì)上沉積多晶硅→摻雜→刻蝕成形→高溫退火。摻雜后電阻率低至10?? Ω·cm，傳遞控制信號；通過N/P型摻雜調(diào)節(jié)功函數(shù)（N-Poly用于NMOS，P-Poly用于PMOS）。

圖案轉(zhuǎn)移硬掩膜層

在刻蝕深槽或高深寬比結(jié)構(gòu)時，多晶硅的硬度（莫氏硬度6.5）可保護底層材料。沉積500 nm多晶硅層；光刻定義圖案；干法刻蝕多晶硅（Cl?/HBr等離子體）；以多晶硅為掩膜刻蝕下層介質(zhì)/金屬。

中段工藝（MEOL）接觸連接點

在多晶硅與金屬（如鎢、鈷）之間形成低阻接觸。在接觸孔中沉積摻雜多晶硅，作為金屬與硅襯底的過渡層，減少肖特基勢壘；在淺溝槽隔離（STI）區(qū)域用多晶硅連接相鄰器件。

導(dǎo)電層與功函數(shù)調(diào)控

在FinFET中，多晶硅與High-K介質(zhì)（如HfO?）結(jié)合，通過摻雜類型和濃度調(diào)節(jié)閾值電壓。N型多晶硅功函數(shù)≈4.1 eV，匹配NMOS溝道；P型多晶硅功函數(shù)≈5.2 eV，適配PMOS需求。