離子注入溝道MOS晶體管的三端結構作用特性

    迄今為止，對所討論的晶體管都假設它們具有均勻摻雜的襯底。對于非離子注入溝道器件而言，這一假設是合理的(雖然嚴格地說并不正確，因為在氧化層生長過程中雜質會重新分布)。本章將討論這樣一類器件，即通過離子注入有意識地使源漏之間的襯底摻雜很不均勻，所謂離子注入就是在制造過程中用離子轟擊襯底。這些離子到達之處，也就是襯底有效濃度改變之地。離子注入也可用于給硅柵摻雜及形成源區和漏區，但是這里我們將集中精力研究它在溝道區中的應明，以劇烈地改變晶體管的I-V特性。離子注入自從早期用于MOS晶體管以來，這一工藝已經得到廣泛的應用，現在它已是器件制作過程中的一道標準工序了。人們之所以希望采用離子注入是有若干原因的。其中之一就是調節閾值電壓。就電路設計的目的而論，這個量應該具有已知而簡便的值。對于增強型器件，在所有工藝參數的容差范圍內；閾值電壓都應該足夠的正，因而可用等于零的柵-源電壓使晶體管截止。從式(4．4．27)可以推斷，增加襯底摻雜濃度NA可以獲得足夠正的閾值電壓。但是，這將使ФB和體效應系數γ(2．5節)也都增加了。而γ增大意味著體效應增強，這將使VSB改變時引起較大的VT變化【式(4．4．26)】因此可能使電路設計復雜化。此外，大的NA值會導致大的結電容，而結電容將使電路速度降低。因此，增加NA并非是增加VTo的一種好方法。取而代之的另一種方法是只在十分靠近表面的地方注入離子。這些離子電荷的作用類似于式(2．2．6)中的有效界面電荷Qo的作用，并且它們的效果相當于修正VFB，另一方面，在注入層之下的大部分耗盡區所在地，襯底雜質濃度并未增加。因此，體效應系數和結電容都仍然保持較小的值?？上ё⑷雽犹拷砻?，雖然它是調節閾值電壓的最佳方法，但是對于處理短溝道器件中所遇到的另一問題卻不是最佳的。正如第5章所討論的，在短溝道器件中，耗盡區的寬度變成占溝道長度的很大一部分，從而導致了包括穿通在內的二維效應(5．6節)。為了防止發生穿通，  耗盡區的寬度應該控制在表面之下，源、漏之間的范圍內，這是穿通電流可能流動的地方。從式(1．5．13)明顯可以看出，這一要求可以通過離子注入，有選擇地增加那里的襯底；摻雜濃度來實現。這樣，源區和漏區下面的襯底摻雜仍可保持較低的濃度，因此使結電容仍保持為較小。從以上討論顯然可以看出，設計離子注入器件并非是一件容易的事，  因為它牽涉到若干折衷處理方案。有時使用兩重注入，以允許在控制閾值電壓和穿通效應兩方面保持某種程度的相對獨立性。

    與上述應用相反，襯底也可用相反類型的離子進行注入(例如，在p型襯底上進行n型離子注入)。這種技術常常用于制作耗盡型器件，這類器件即使當VGB=0時也能導通顯著的電流。

    具有離子注入襯底的器件的特性現已成為廣泛研究的主題。本章的目的是介紹一些有代表性的模型，這些模型在提供易處理的解析結果方面是足夠簡單的，但是在預測與離子注入襯底有關的大多數重要效應方面又是足夠充分的。將要給出的定量結果只限于長溝道器件的漂移電流，這是在文獻中已經獲得大部分解析結果的情況。

    離子注入n溝晶體管示于圖6．1；這里的離子注入可以是p型或n型的。和以前一樣，我們首先考慮示于圖6．1b的較為簡單的三端結構。離子注入用“有效劑量”(半導體內單位面積注入的離子數，典型值為10³~10⁴/μm²)以及離子離開注入系統時的平均動能(10～300keV)來表示，離子的平均動能決定了它們進入半導體的深度。在半導體內，  離子濃度分布的一般形狀如圖6．20a的曲線，其中是從Si-SiO2界面開始測量的深度，NAB是非離子注入襯底的摻雜濃度。的形狀最初是高斯分布的，然后，隨注入工藝之后的高溫制造工序而改變。因為的形狀復雜，所以詳細分析離子注入晶體管是很復雜的。然而，已經發現，用示于圖6．2b的曲線去近似，可以獲得實際而有用的結果，圖6．2b中的NI和I是使最終的模型盡可能地精確而選擇的適當的常數。作為一種出發點，I有時選為圖6．2a中=NAB一點的深度，或者選為等于它的平均值加標準偏差的那一點的深度，此時假設的形狀是高斯型的；例如，I可能是0．1μm。然后選擇NI，使NII等于總的有效劑量[圖6．2a中，曲線下的積分]。這里強調一下，上述這些選擇僅僅代表了一種出發點。這些參數的最佳值取決于需要模擬I-V特性的哪些方面，以及要求在什么偏壓范圍內有合理的精度。

    本章將繼續采用p型襯底作為例子。注入的離子既可以與襯底雜質同一類型(即受主)，也可以是相反類型(施主)。這兩種不同注入通常分別用來提高增強型器件的閾值電壓和制作耗盡型器件。

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