離子注入結(jié)深的參數(shù)影響分析

董海青 張照鋒

摘? 要：該文主要是通過(guò)TCAD工具分析工藝對(duì)集成電路工藝結(jié)果的影響，通過(guò)TCAD工具模擬集成電路離子注入工藝的過(guò)程，然后分別改變離子注入的工藝參數(shù)，分析離子注入工藝參數(shù)對(duì)結(jié)深結(jié)果的影響，進(jìn)而在器件設(shè)計(jì)過(guò)程中合理地進(jìn)行工藝優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：工藝;器件;仿真

中圖分類(lèi)號(hào)：TN305? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

TCAD軟件按照功能可分為3個(gè)模塊，最底層是工藝仿真模塊，用來(lái)確定標(biāo)準(zhǔn)工藝下材料水平的器件結(jié)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)工藝包括氧化、擴(kuò)散、離子注入、干濕法刻蝕、光刻，一些比較新的TCAD也包括CMP以及用于制造SOI襯底的Smart cut工藝。仿真主要考慮的因素包括雜質(zhì)擴(kuò)散、注入雜質(zhì)和晶格作用聲學(xué)模型、各種thermal budget和機(jī)械力下的應(yīng)力、材料各向異性等。然后是器件仿真，在前面工藝仿真得到的器件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上計(jì)算電學(xué)行為。最頂層是提參模塊，其是從電學(xué)仿真結(jié)果中提取符合BSIM標(biāo)準(zhǔn)的器件參數(shù)，用于SPICE仿真，我們平時(shí)使用寫(xiě)網(wǎng)表時(shí)，引用的lib文件就是該類(lèi)參數(shù)的list[1]。

通過(guò)相關(guān)命令分析元器件的工作過(guò)程，進(jìn)而判斷其相應(yīng)的參數(shù)是否符合要求，反過(guò)來(lái)對(duì)工藝過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化。

1 工藝過(guò)程模擬

工藝是集成電路制造過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，特別是特征尺寸越來(lái)越小的今天，7 nm工藝已經(jīng)開(kāi)始量產(chǎn)，不斷縮小的特征尺寸對(duì)工藝提出了更加嚴(yán)苛的要求。因此，在進(jìn)行真正的工藝流片之前，一定要先進(jìn)行工藝模擬，即通過(guò)計(jì)算機(jī)EDA工藝分析并計(jì)算工藝過(guò)程，得出相應(yīng)的理論數(shù)據(jù)，然后再與實(shí)際的工藝過(guò)程結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，這樣可以最大限度地減小因工藝誤差帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失[2]。

1.1 硅片初始化

首先創(chuàng)建一個(gè)0.6 um×0.8 um模擬區(qū)域，將該區(qū)域劃分成一個(gè)非均勻網(wǎng)格。對(duì)應(yīng)語(yǔ)句如下：

line x loc=0.00 spac=0.1

line x loc=0.2? ?spac=0.01

line x loc=0.6? ?spac=0.01

line y loc=0.00 spac=0.008

line y loc=0.2? ?spac=0.01

line y loc=0.5? ?spac=0.05

line y loc=0.8? ?spac=0.15

然后用init語(yǔ)句初始化硅片參數(shù)，P型硅襯底，襯底濃度為1×1016/cm3，晶向?yàn)?00。對(duì)應(yīng)的語(yǔ)句如下：

init silicon c.boron=1.0e16 orientation=100 two.d

最后用Structure命令保存結(jié)構(gòu)文件。對(duì)應(yīng)的語(yǔ)句如下：

structure outfile=nmos.str

1.2 離子注入工藝

離子注入工藝是將加速到一定高能量的離子束注入固體材料表面層內(nèi)，以此來(lái)改變表面層物理和化學(xué)性質(zhì)的工藝。在半導(dǎo)體中注入相應(yīng)的雜質(zhì)原子（如在硅中注入硼、磷或砷等），可改變其表面電導(dǎo)率或形成PN結(jié)[3]。

離子注入對(duì)應(yīng)的命令是implant，其中主要包括3個(gè)參數(shù)。1）離子注入源的離子類(lèi)型，boron代表硼離子。2）離子注入的劑量，即濃度。3）離子注入的能量，即施加在離子上的動(dòng)能[4]。對(duì)應(yīng)的命令語(yǔ)句如下：

implant boron dose=9e11 energy=10 crystal

其中boron代表離子注入源是硼離子，dose=9e11代表離子注入的劑量為9×1011/cm2，energy=10代表離子注入的能量為10 KeV。

使用的Extract語(yǔ)句提取離子注入形成的結(jié)深，具體命令語(yǔ)句如下：

extract name="nxj" xj material="Silicon" mat.occno=1 x.val=0.2 junc.occno=1

提取名稱(chēng)為“nxj”，材料為“Silicon”，在mat.occno=1? x.val=0.3處提取。

2 離子注入工藝參數(shù)模擬

離子注入工藝的參數(shù)主要包括離子注入源、離子注入劑量和離子注入能量。

2.1 離子注入源劑量的模擬

離子注入源的劑量，即離子注入時(shí)單位面積內(nèi)離子源的數(shù)量。

設(shè)定離子注入的離子源為boron，離子注入的能量為20 KeV，離子注入源的劑量為1×1012/cm2，執(zhí)行模擬命令：implant boron dose=1e12 energy=20 crystal。

提取離子注入后的結(jié)深，執(zhí)行提取命令：extract name="nxj" xj material="Silicon" mat.occno=1 x.val=0.2 junc.occno=1。

然后改變離子注入源的劑量，分別設(shè)定離子注入源劑量為1×1011/cm2、1×1012/cm2、1×1013/cm2、1×1014/cm2、1×1015/cm2、1×1016/cm2，分別提取每次離子注入后的結(jié)深數(shù)據(jù)，最后進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總分析。得到的離子注入結(jié)深見(jiàn)表1。

由表1的數(shù)據(jù)可以看出，在離子注入能量不變的情況下，隨著離子注入劑量的增加，結(jié)深增加，但最開(kāi)始的增加幅度比較大，劑量越大，結(jié)深增加的越不明顯。

2.2 離子注入能量的模擬

離子注入的能量，即離子注入過(guò)程中激發(fā)離子時(shí)所施加的能量，單位為電子伏特。

設(shè)定離子注入的離子源為boron，離子注入的能量為20 KeV，離子注入源的劑量為1×1012，執(zhí)行模擬命令：implant boron dose=9e12 energy=20 crystal。

然后改變離子注入的能量，分別設(shè)定離子注入的能量為1 KeV、10 KeV、20 KeV、30 KeV、40 KeV、50 KeV。分別提取每次離子注入后的結(jié)深數(shù)據(jù)，最后進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總分析。得到的離子注入結(jié)深見(jiàn)表2。

由表2的數(shù)據(jù)可以看出，在離子注入劑量不變的情況下，隨著離子注入能量的增加，結(jié)深增加，但最開(kāi)始的增加幅度比較大，隨著能量越大，結(jié)深增加的越不明顯。

分析對(duì)比2組數(shù)據(jù)，隨著離子注入劑量變化對(duì)應(yīng)的結(jié)深變化曲線如圖1所示。

由圖1可以看出，隨著離子注入劑量的變化，離子注入結(jié)深的變化越來(lái)越不明顯，即離子注入劑量只能在一定范圍內(nèi)對(duì)離子注入結(jié)深有較大影響，說(shuō)明離子注入只能形成比較小的淺結(jié)器件。

隨著離子注入能量變化對(duì)應(yīng)的結(jié)深變化曲線如圖2所示。

由圖2可以看出，隨著離子注入能量的變化，離子注入結(jié)深的變化越來(lái)越不明顯，即離子注入能量只能在一定范圍內(nèi)對(duì)離子注入結(jié)深有較大影響，說(shuō)明離子注入只能形成比較小的淺結(jié)器件。

3 結(jié)論

通過(guò)圖1和圖2可以看出，隨著離子注入劑量和能量的變化，離子注入結(jié)深的變化越來(lái)越不明顯，隨著注入劑量和能量的增加，結(jié)深的增加越來(lái)越不明顯，即隨著離子注入劑量和能量的變化，結(jié)深基本不再有很大增加。因此，離子注入工藝一般情況下只能用來(lái)形成淺結(jié)器件。如果某一類(lèi)元器件需要比較大的結(jié)深，就需要考慮其他工藝，比如擴(kuò)散或淀積等。

參考文獻(xiàn)

[1]張淵.半導(dǎo)體制造工藝（第2版）[M].北京：機(jī)械工藝出版社，2015.

[2]王蔚.集成電路制造技術(shù)-原理與工藝[M].北京：電子工業(yè)出版社，2013.

[3]肖國(guó)玲.微電子制造工藝技術(shù)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2008.

[4]鄧善修.集成電路制造工藝員（中級(jí)）[M].北京：中國(guó)勞動(dòng)社會(huì)保障出版社，2007.