文章來源：半導體與物理

原文作者：jjfly686

本文介紹了集成電路制造中多晶硅的性質、制造和作用。

在芯片的納米世界中，多晶硅（Polycrystalline Silicon，簡稱Poly-Si）。這種由無數(shù)微小硅晶粒組成的材料，憑借其可調的電學性能與卓越的工藝兼容性，成為半導體制造中不可或缺的“多面手”。

多晶硅是什么？——硅原子的“折中態(tài)”

多晶硅是硅的一種特殊形態(tài)，介于單晶硅與非晶硅之間：

結構特性：由尺寸約10-200 nm的硅晶粒無序堆疊而成，晶粒間存在晶界；

電學特性：未摻雜時為絕緣體，摻雜后為導體；

熱穩(wěn)定性：熔點1414℃，耐受氧化、退火等高溫工藝。

與單晶硅對比：

多晶硅的制造

多晶硅薄膜通過低壓化學氣相沉積（LPCVD）生成，核心流程如下：

1. 反應原理

硅烷氣體（SiH?）在高溫下分解：

SiH?(g) → Si(s) + 2H?(g) （溫度：600-650℃）

溫度控制：

<550℃ → 生成非晶硅（無序結構）；600℃ → 形成多晶硅（晶粒尺寸由溫度決定）。

2. 工藝步驟

晶圓預處理：清洗硅片并生長10 nm SiO?緩沖層（減少應力）；

沉積反應：反應室抽真空至0.1-1 Torr；通入SiH?氣體（流量100-500 sccm），加熱至620℃；

摻雜處理：離子注入：將磷（N型）或硼（P型）原子轟入晶格；原位摻雜：沉積時混入PH?（N型）或B?H?（P型）氣體；

退火激活：快速熱退火（RTA, 1000℃/10秒）修復晶格，激活雜質原子。

多晶硅在芯片中的作用

1. 晶體管柵極

摻雜調控閾值電壓：

N型多晶硅（摻磷）：功函數(shù)~4.1 eV，用于NMOS柵極；

P型多晶硅（摻硼）：功函數(shù)~5.2 eV，用于PMOS柵極；

優(yōu)勢：與SiO?柵介質完美兼容，避免金屬污染。

2. 局部互連：金屬化

多晶硅插塞：在接觸孔中填充摻雜多晶硅，連接金屬與硅襯底；

硅化降低電阻：沉積鈷→退火形成硅化鈷（CoSi?），電阻率降至15 μΩ·cm；7 nm工藝中，接觸電阻減少30%。

3. 硬掩膜

高刻蝕選擇比：

多晶硅 vs SiO?：Cl?/HBr刻蝕選擇比>50:1；

多晶硅 vs 硅襯底：SF?/O?刻蝕選擇比>100:1；