MOS器件的閾值電壓VT離子注入調整方法

離子注入是利用某些雜質（如硼、磷）原子，經氣體放電引起電子沖擊電離，產生帶電的雜質離子，然后在強電場作用下，使離子加速到具有很高的能量（約為幾萬至幾十萬電子伏特）直接轟擊到半導體材料硅的表面上。MOS器件的VT的應用。當這離子注入些離子進入到硅體內時，因受到硅原子的阻擋而停留在硅表面層內，起到摻雜作用，形成PN結，如圖6-7所示。

離子注入摻雜，無橫向擴散，從而消除了常規工藝中柵金屬覆蓋源、漏區所造成的覆蓋寄生電容，有利于提高MOS器件的開關響應。離子注入形成PN結子注入法同樣具有“柵自對準”的優點，能夠先制作好器件的柵電極，然后再制作源、漏區，從而克服了常規工藝中掩膜對準的困難。離子注入可在低溫下進行，可以減少由于高溫擴散所引入的熱缺陷。還因為離子注入法可以在鈍化層（如薄二氧化硅）下面形成PN結，因而硅表面不易被沾污，保證了器件性能的穩定。此外，離子注入技術對半導體摻雜，其濃度和結深的控制遠比一般的擴散法要精確得多，重復性和均勻性都好，可以大大提高成品率。所以離子注入技術已發展成為必要的工藝手段之一。

在MOS工藝中，離子注入技術不僅可以用來制作NMOS或PMOS的源、漏區和CMOS的P阱區，而且可以控制較低的閾值電壓VT，便于與TTL電路相容。這種技術只要對常規工藝作較小的更動，就能方便地與其它MOS工藝相配合，在一塊晶片上制作同一類型溝道的增強型和耗盡型器件（即E/DMOS電路）。MOS器件的VT的應用。若將離子束聚焦得很精細，采用細束掃描，進行有選擇地注入，就成為無掩膜制造技術，大大簡化了MOS大規模集成電路的生產工藝。本節主要介紹離子注入技術在MOS工藝中的應用。

一、離子注入法調整MOS器件的VT

MOS器件的閾值電壓VT，與溝道區內摻雜的電荷量是成比例的。因此，我們可以用離子注入技術來增強或補償MOS器件溝道區內硅襯底的摻雜濃度，從而有效地控制和調節MOS器件的閾值電壓。MOS器件的VT的應用。具體方法是用適當厚度的介質（例如金屬層、厚二氧化硅或光致抗蝕劑等）作掩蔽膜，以阻止高能量的離子束穿透那些不需要注入的區域，而使離子束注入到預定的溝道區。這樣，使溝道區的摻雜濃度得以調整，如圖6-8所示。

用離子注入法來調整器件的VT，通常是在開光刻引線孔之前進行的。稠離子通過柵氧化薄層注入到溝道區，使溝道內的N型襯底得到補償。而其它區域是厚氧化層，硼離子不能注入到這些區域的硅襯底中去。下面的工藝，與常規工藝大致相同。

需要注入多少離子量，才能達到所預期的比較低的VT呢？顯然，可以直接從VT的表達式中導出。

設某一P溝道MOS器件采用鋁柵，溝道滲雜，表面勢，N型襯底濃度，柵氧化層厚度，等效正電荷數（相當），氧化層電容。如果要求閾值電壓，則所需注入的正電荷密度是多少？

將上式數據代入VT表達式

可求得

是負值。表明在溝道區耗盡情況下的凈電荷必須是負值，換句話說，當希望VT=-2V時，所對應的溝道區硅表面的凈空間電荷應是。這就意味著溝道區襯底已由N型變為弱P型。MOS器件的VT的應用。因此，離子注入首先是使溝道區襯底補償成為本征硅，然后進一步注入，再使溝道區襯底變成弱P型。由于原始的N型襯底，可產生耗盡區電荷，所以注入硼離電荷密度為：

這樣，抵消了襯底原來耗盡區電荷以后，剩下的正好相當于的硼雜質密度，實際工藝注入的離子量將要比稍高些。因為不是所有注入到晶格中的離子都能電活化的。

在注入量情況下是否會出現一個剩余溝道而使器件變成耗盡型呢？不會的。因為當柵上沒有施加負偏壓時，由于接觸電勢差和氧化層中有效正電荷的作用，其凈結果仍然使溝道區域是N型的，保證了器件仍是增強型的。

由于調整閾值電壓的離子注入工序是在柵氧化之后進行的，高能離子必須通過薄的二氧化硅層再注入到襯底中去。MOS器件的VT的應用。所以注入劑量與氧化層厚度和注入能量有關。圖6-9所示為一定的氧化層厚度（125nm）時閾值電壓的改變與注入能量的關系，圖6-10所示為一定的注入能量（44keV）下閾值電壓改變量與二氧化硅層厚度的關系。注入之后，為了消除晶格破壞并使離子活化，需要在500~900℃溫度中退火10至20分鐘。

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