MOS器件的阈值电压VT离子注入调整方法

信息来源: 时间:2020-11-27

MOS器件的阈值电压VT离子注入调整方法

离子注入是利用某些杂质(如硼、磷)原子,经气体放电引起电子冲击电离,产生带电的杂质离子,然后在强电场作用下,使离子加速到具有很高的能量(约为几万至几十万电子伏特)直接轰击到半导体材料硅的表面上。MOS器件的VT的应用。当这离子注入些离子进入到硅体内时,因受到硅原子的阻挡而停留在硅表面层内,起到掺杂作用,形成PN结,如图6-7所示。

MOS器件的VT的应用

离子注入掺杂,无横向扩散,从而消除了常规工艺中栅金属覆盖源、漏区所造成的覆盖寄生电容,有利于提高MOS器件的开关响应。离子注入形成PN结子注入法同样具有“栅自对准”的优点,能够先制作好器件的栅电极,然后再制作源、漏区,从而克服了常规工艺中掩膜对准的困难。离子注入可在低温下进行,可以减少由于高温扩散所引入的热缺陷。还因为离子注入法可以在钝化层(如薄二氧化硅)下面形成PN结,因而硅表面不易被沾污,保证了器件性能的稳定。此外,离子注入技术对半导体掺杂,其浓度和结深的控制远比一般的扩散法要精确得多,重复性和均匀性都好,可以大大提高成品率。所以离子注入技术已发展成为必要的工艺手段之一。

在MOS工艺中,离子注入技术不仅可以用来制作NMOS或PMOS的源、漏区和CMOS的P阱区,而且可以控制较低的阈值电压VT,便于与TTL电路相容。这种技术只要对常规工艺作较小的更动,就能方便地与其它MOS工艺相配合,在一块晶片上制作同一类型沟道的增强型和耗尽型器件(即E/DMOS电路)。MOS器件的VT的应用。若将离子束聚焦得很精细,采用细束扫描,进行有选择地注入,就成为无掩膜制造技术,大大简化了MOS大规模集成电路的生产工艺。本节主要介绍离子注入技术在MOS工艺中的应用。

一、离子注入法调整MOS器件的VT

MOS器件的阈值电压VT,与沟道区内掺杂的电荷量image.png是成比例的。因此,我们可以用离子注入技术来增强或补偿MOS器件沟道区内硅衬底的掺杂浓度,从而有效地控制和调节MOS器件的阈值电压。MOS器件的VT的应用。具体方法是用适当厚度的介质(例如金属层、厚二氧化硅或光致抗蚀剂等)作掩蔽膜,以阻止高能量的离子束穿透那些不需要注入的区域,而使离子束注入到预定的沟道区。这样,使沟道区的掺杂浓度得以调整,如图6-8所示。

MOS器件的VT的应用

用离子注入法来调整器件的VT,通常是在开光刻引线孔之前进行的。稠离子通过栅氧化薄层注入到沟道区,使沟道内的N型衬底得到补偿。而其它区域是厚氧化层,硼离子不能注入到这些区域的硅衬底中去。下面的工艺,与常规工艺大致相同。

需要注入多少离子量,才能达到所预期的比较低的VT呢?显然,可以直接从VT的表达式中导出。

设某一P沟道MOS器件采用铝栅,沟道渗杂image.png,表面势image.png,N型衬底浓度image.png,栅氧化层厚度image.png,等效正电荷数image.png(相当image.png),氧化层电容image.pngimage.png如果要求阈值电压image.png,则所需注入的正电荷密度是多少?

将上式数据代入VT表达式

MOS器件的VT的应用

可求得image.png

image.png是负值。表明在沟道区耗尽情况下的净电荷必须是负值,换句话说,当希望VT=-2V时,所对应的沟道区硅表面的净空间电荷应是image.png。这就意味着沟道区衬底已由N型变为弱P型。MOS器件的VT的应用。因此,离子注入首先是使沟道区衬底补偿成为本征硅,然后进一步注入,再使沟道区衬底变成弱P型。由于原始的N型衬底image.png,可产生耗尽区电荷image.png,所以注入硼离电荷密度为:

MOS器件的VT的应用

这样,抵消了衬底原来耗尽区电荷以后,剩下的正好相当于image.png的硼杂质密度,实际工艺注入的离子量将要比image.png稍高些。因为不是所有注入到晶格中的离子都能电活化的。

image.png注入量情况下是否会出现一个剩余沟道而使器件变成耗尽型呢?不会的。因为当栅上没有施加负偏压时,由于接触电势差和氧化层中有效正电荷image.png的作用,其净结果仍然使沟道区域是N型的,保证了器件仍是增强型的。

由于调整阈值电压的离子注入工序是在栅氧化之后进行的,高能离子必须通过薄的二氧化硅层再注入到衬底中去。MOS器件的VT的应用。所以注入剂量与氧化层厚度和注入能量有关。图6-9所示为一定的氧化层厚度(125nm)时阈值电压的改变与注入能量的关系,图6-10所示为一定的注入能量(44keV)下阈值电压改变量与二氧化硅层厚度的关系。注入之后,为了消除晶格破坏并使离子活化,需要在500~900℃温度中退火10至20分钟。

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