離子注入結深的參數影響分析

董海青 張照鋒

摘? 要：該文主要是通過TCAD工具分析工藝對集成電路工藝結果的影響，通過TCAD工具模擬集成電路離子注入工藝的過程，然后分別改變離子注入的工藝參數，分析離子注入工藝參數對結深結果的影響，進而在器件設計過程中合理地進行工藝優化。

關鍵詞：工藝;器件;仿真

中圖分類號：TN305? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 引言

TCAD軟件按照功能可分為3個模塊，最底層是工藝仿真模塊，用來確定標準工藝下材料水平的器件結構，標準工藝包括氧化、擴散、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擴散、注入雜質和晶格作用聲學模型、各種thermal budget和機械力下的應力、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構的基礎上計算電學行為。最頂層是提參模塊，其是從電學仿真結果中提取符合BSIM標準的器件參數，用于SPICE仿真，我們平時使用寫網表時，引用的lib文件就是該類參數的list[1]。

通過相關命令分析元器件的工作過程，進而判斷其相應的參數是否符合要求，反過來對工藝過程進行優化。

1 工藝過程模擬

工藝是集成電路制造過程中的重要環節，特別是特征尺寸越來越小的今天，7 nm工藝已經開始量產，不斷縮小的特征尺寸對工藝提出了更加嚴苛的要求。因此，在進行真正的工藝流片之前，一定要先進行工藝模擬，即通過計算機EDA工藝分析并計算工藝過程，得出相應的理論數據，然后再與實際的工藝過程結果數據進行比對，這樣可以最大限度地減小因工藝誤差帶來的經濟損失[2]。

1.1 硅片初始化

首先創建一個0.6 um×0.8 um模擬區域，將該區域劃分成一個非均勻網格。對應語句如下：

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語句初始化硅片參數，P型硅襯底，襯底濃度為1×1016/cm3，晶向為100。對應的語句如下：

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

最后用Structure命令保存結構文件。對應的語句如下：

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，以此來改變表面層物理和化學性質的工藝。在半導體中注入相應的雜質原子（如在硅中注入硼、磷或砷等），可改變其表面電導率或形成PN結[3]。

離子注入對應的命令是implant，其中主要包括3個參數。1）離子注入源的離子類型，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能[4]。對應的命令語句如下：

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語句提取離子注入形成的結深，具體命令語句如下：

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

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

2 離子注入工藝參數模擬

離子注入工藝的參數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，即離子注入時單位面積內離子源的數量。

設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，執行模擬命令：implant boron dose=1e12 energy=20 crystal。

提取離子注入后的結深，執行提取命令：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深數據，最后進行數據匯總分析。得到的離子注入結深見表1。

由表1的數據可以看出，在離子注入能量不變的情況下，隨著離子注入劑量的增加，結深增加，但最開始的增加幅度比較大，劑量越大，結深增加的越不明顯。

2.2 離子注入能量的模擬

離子注入的能量，即離子注入過程中激發離子時所施加的能量，單位為電子伏特。

設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深數據，最后進行數據匯總分析。得到的離子注入結深見表2。

由表2的數據可以看出，在離子注入劑量不變的情況下，隨著離子注入能量的增加，結深增加，但最開始的增加幅度比較大，隨著能量越大，結深增加的越不明顯。

分析對比2組數據，隨著離子注入劑量變化對應的結深變化曲線如圖1所示。

由圖1可以看出，隨著離子注入劑量的變化，離子注入結深的變化越來越不明顯，即離子注入劑量只能在一定范圍內對離子注入結深有較大影響，說明離子注入只能形成比較小的淺結器件。

隨著離子注入能量變化對應的結深變化曲線如圖2所示。

由圖2可以看出，隨著離子注入能量的變化，離子注入結深的變化越來越不明顯，即離子注入能量只能在一定范圍內對離子注入結深有較大影響，說明離子注入只能形成比較小的淺結器件。

3 結論

通過圖1和圖2可以看出，隨著離子注入劑量和能量的變化，離子注入結深的變化越來越不明顯，隨著注入劑量和能量的增加，結深的增加越來越不明顯，即隨著離子注入劑量和能量的變化，結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形成淺結器件。如果某一類元器件需要比較大的結深，就需要考慮其他工藝，比如擴散或淀積等。

參考文獻

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

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

[3]肖國玲.微電子制造工藝技術[M].西安：西安電子科技大學出版社，2008.

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