半導(dǎo)體離子注入工藝講解

阱區(qū)注入的工藝說明如下圖所示，是高能量離子注入過程，因?yàn)樗枰纬哨鍏^(qū)建立MOS晶體管。NMOS晶體管形成于P型阱區(qū)內(nèi)，而P型晶體管形成于N型阱區(qū)。

為了防止結(jié)串通的離子注入技術(shù)稱為中度阱區(qū)注入，用來抑制結(jié)擊穿效應(yīng)，因?yàn)榻Y(jié)擊穿將造成晶體管崩潰。大角度傾斜（Large angle tilt，LAT,通常為35°~45°）注入或大傾角注入用來抑制集成電路芯片的結(jié)擊穿問題。

臨界注入也稱為VT調(diào)整注入，是一個(gè)低能量、低劑量的注入過程。臨界注入決定了一定電壓下可以開啟或關(guān)閉MOS晶體管，這個(gè)電壓稱為臨界電壓（VT）。閾值決定MOSFET在什么電壓下可以打開或關(guān)閉，它可以表示為：

VT表示柵極材料和半導(dǎo)體襯底之間的電位差。在多晶硅柵情況下，它由多晶硅的摻雜濃度控制。表示表面電荷，它由預(yù)氧化清潔和柵氧化過程所決定;表示耗盡電荷量。通過離子注入調(diào)節(jié)VT，可以控制多數(shù)載流子濃度Nc。是單位的柵極電容，由柵介質(zhì)材料及柵極介電層厚度L決定。是襯底的費(fèi)米電勢。閾值電壓是MOSFET最重要的參數(shù)之一，而且片離子注入調(diào)制是離子注入最關(guān)鍵的工藝之一。

例如，一些舊的電子元器件需要12V的直流供電電壓，而大部分的電子電路需要5V或3.3V即可工作，大部分先進(jìn)集成電路芯片在1.0V就可以工作。低功耗IC芯片的工作電壓甚至低于0.4Vo這些操作電壓必須比臨界電壓高才能確保晶體管開啟或關(guān)閉，然而它們卻不能高于使柵極氧化層擊穿。下圖顯示了CMOS集成電路芯片的閾值電壓調(diào)整注入，閾值電壓調(diào)整注入通常使用與阱區(qū)注入相同的注入機(jī)，都是在使能量注入工藝中進(jìn)行，如下圖所示。

多晶硅需要離子重?fù)诫s以降低電阻系數(shù)，這可以通過在沉積過程中使用臨場摻雜方式將硅的反應(yīng)氣體和摻雜物氣體一同引入CVD反應(yīng)器中，或者利用高電流多晶硅摻雜離子注入實(shí)現(xiàn)。對于先進(jìn)的互補(bǔ)型CMOS芯片，注入摻雜普遍使用，因?yàn)樽⑷霌诫s可以分別摻雜P型晶體管的多晶態(tài)柵極和N型多晶態(tài)柵極。一般情況下,P型晶體管的多晶硅柵是P型重?fù)诫s，而N型晶體管的多晶硅柵是N型重?fù)诫s,這樣可以使元器件有很好的性能控制。這些形成局部連線的多晶硅導(dǎo)線也將產(chǎn)生PN結(jié)界面,而這個(gè)PN結(jié)位于CMOS電路的相鄰PMOSFET柵極與NMOSFET柵極的交匯處。PN結(jié)必須在后續(xù)的金屬硅化物過程中，通過在多晶硅導(dǎo)線上方形成金屬硅化物加以短路，否則將在相鄰柵極之間形成非常高的電阻。

一般情況下，多晶硅離子注入需要兩個(gè)光刻版，一個(gè)用于NMOS,另一個(gè)用于PMOS。為了降低生產(chǎn)成本，多晶硅補(bǔ)償反摻雜技術(shù)已經(jīng)發(fā)展并已在IC生產(chǎn)中應(yīng)用。在沒有光刻版的條件下，它首先采用離子注入將整個(gè)晶圓摻雜成重N型，然后圖形化晶圓曝光顯示出PMOS并摻雜成P型多晶硅層。P型摻雜濃度非常高，是通過雜質(zhì)補(bǔ)償將多晶硅從N型反轉(zhuǎn)成P型的。由于等離子摻雜系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)高摻雜濃度，所以已開發(fā)用于實(shí)現(xiàn)這種工藝。下圖所示為重P型(硼摻雜)多晶硅反轉(zhuǎn)工藝。

審核編輯：湯梓紅