芯片制造中的晕环注入技术

文章来源：半导体与物理

原文作者：jjfly686

本文主要讲述芯片制造中的晕环注入。  

当晶体管栅长缩至20纳米以下，源漏极间可能形成隐秘的电流通道，导致晶体管无法关闭。而晕环注入（Halo Implant） 技术，正是工程师们设计的原子级“结界”，将漏电流牢牢封锁在沟道之外。

一、穿通效应：纳米晶体管的“幽灵通道”

问题的根源：耗尽区的失控扩张

每个PN结交界处都存在耗尽区——一个缺乏自由载流子的绝缘区域（如图1）。当源极（P⁺延伸注入）与漏极（N⁺延伸注入）之间的耗尽区相连时，就会形成穿通通道：传统结构（无晕环注入）：轻掺杂N阱（10¹² ions/cm²）对抗重掺杂P⁺延伸区（10¹⁵ ions/cm²）；耗尽区向N阱深处大幅延伸（深度可达100 nm）；栅长<20 nm时，源漏耗尽区相接，电子直接隧穿。结果：晶体管在关闭状态漏电，功耗飙升甚至烧毁芯片。

二、晕环注入：原子级的“耗尽区牢笼”

技术原理：不对称掺杂的巧思

晕环注入通过在沟道边缘植入高浓度反型掺杂原子，构建局部电荷屏障：

注入位置：仅位于栅极边缘正下方（深度约20 nm），避开沟道中心；

掺杂设计：

区域	掺杂类型	浓度 (ions/cm²)	作用
P⁺延伸区	硼	10¹⁵	形成源/漏极
N阱	磷	10¹²	晶体管基底
晕环区	磷	10¹³	封锁耗尽区扩张

晕环的额外电荷（10¹³ ions/cm²）中和P⁺区的空穴电荷，将耗尽区深度压缩70%（从100 nm→30 nm）；

由于晕环仅存在于栅极边缘，沟道中心载流子迁移率不受影响。

工艺四步

栅极侧墙形成：沉积氮化硅并刻蚀，定义注入窗口；

倾斜离子注入：晶圆倾斜25-45°，磷离子以50 keV能量注入；

退火激活：纳秒激光局部加热，避免掺杂扩散；

延伸注入同步：垂直注入硼形成源漏延伸区。