半导体行业（五十）

离子注入简介

高集成度电路的发展需要更小的特征图形尺寸与更近的电路器件间距。热扩散对先进电路的生产有所限制。5个挑战是横向扩散、超浅结、粗劣的掺杂控制、表面污染的干涉和错位的产生。横向扩散不仅发生在淀积和推进中，并且每次晶圆受热到扩散运动可以发生温度的范围都会继续，如下图所示。电路设计者必须给相邻区间留出足够的空间以避免横向扩散后各区间的接触短路。对于高密度电路的积累效果可能是很大程度上增加了管芯的面积。高温的另外一个问题就是晶体损伤。每次晶圆被升温、降温都会发生位错导致的晶体损伤。高浓度的此种位错可能导致漏电流引发的器件失效。先进工艺程序的目的之一就是减小热预算（thermal budget）以减弱这两个问题。

MOS晶体管的发展产生了两个新的要求：低掺杂浓度控制和超浅结。高效MOS晶体管要求栅区的掺杂浓度小于10的15次原子／Cm2。然而，扩散工艺很难实现这一级别上的一致性。为了实现高封装密度而按比例缩小的晶体管也需要源漏区的浅的结深圃。对0.18um设计规则水平，结深在40nm范围，对亚0.1um范围设计，结深会在20nm的范围。

第4个问题由掺杂区的物理/数学引出。下图所示，杂质原子的大部分靠近晶圆表面。这使得电流的大部分会在杂质主要分布的靠近表面区流动。遗憾的是，这个区域（晶圆内和表面）与沾污干扰或电流退化区相同。先进器件所需的，在晶圆表面具有特定杂质梯度的特殊阱区无法由扩散技术来实现（参见下图）。这些阱区使高性能晶体管得以实现。

离子注入克服了扩散的限制，同时也提供了额外的优势。离子注入过程中没有侧向扩散，工艺在接近室温下进行，杂质原子被置于晶圆表面的下面，同时使得宽范围浓度的掺杂成为可能。有了离子注入，可以对品圆内掺杂的位置和数量进行更好的控制。另外，光刻胶和薄金属层与通常的二氧化硅层一样可以作为掺杂的掩膜。基于这些优点，先进电路的主要掺杂步骤都采用由离子注入完成就不足为怪了。扩散还可以被用在非关键层的掺杂及低集成度的电路上。

离子注入的概念

扩散是一个化学过程。离子注入是一个物理过程，也就是说，注入动作不依赖于杂质与晶圆材料的化学反应。火炮将炮弹打入墙中就是一个展示离子注入概念的示例（参见下图）。从火炮的火药中获取足够的动量，炮弹会射入墙体，在墙体表面以内停止。离子注入过程中发生相同的情形。替代炮弹的是离子，掺杂原子被离化、分离、加速（获取动能），形成离子束流，扫过晶圆。杂质原子对晶圆进行物理轰击，进入表面并在表面以下停止[参见下图]。

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