晶体管阈值电压调整离子注入的工作原理

硅片上形成相互隔离的n阱与p阱后，CMOS 集成电路工艺流程就进入关键阶段，制造性能优良的MOS晶体管。晶体管最主要的性能参效是其阈值电压，或称开启电压。

亚微米增强型 MOS 器件的阈值电压一般在0.5~0.7V范围，NMOS 为正值，PMOS为负值。阈值电压取决于衬底掺杂浓度、栅电极材料、栅介质材料及厚度、介质及界面电荷密度等多种器件材料与工艺参数。但在一定栅介质和电极材料及工艺条件下，可对阈值电压作调节的就只有衬底掺杂，即阱区内的掺杂。离子注入形成的阱区杂质分布是不均匀的。影响阈值电压大小的主要因素，是栅介质下耗尽层区域的杂质浓度。因此，晶体管制程往往从调节阱区表面层的掺杂开始。NMOS 和 PMOS 晶体管区域分别应用离子注入掺入适当深度与浓度的杂质，通过两次光刻和两次离子注入完成，如图 5.23所示。

应用第四块光刻版，通过涂胶、对准、曝光、显影等步骤，形成掩蔽 n 阱区、暴露P阱区的图形，进行 NMOS 晶体管阈值电压离子注入，如图5.23（a）所示。以硼离子作NMOS器件阈值电压调整注入，离子能量选择在50~75 keV范围，使离子穿过表面薄氧化层，分布在P阱区的表层。注入离子的剂量通常约在（1~5）×1012cm-2范围。

第五块光刻版用于 PMOS 晶体管阈值电压调整注入，如图5.23（b）所示。依据n 阱区的杂质浓度及 PMOS 晶体管阈值电压目标值的不同，需要选择n型或P型杂质作阈值电压调整离子注入。图5.23（b）所示为注入砷原子，以调节 PMOS晶体管阈值电压。砷离子典型注入剂量也在（1~5）X1012cm-2之间。如果需要注入p型杂质，则通常用硼，有时可省去一次光刻工艺。因为此情形下可对硅片先进行一次无光刻胶隐蔽的硼离子注入，再针对硼原子浓度需要更高的晶体管区域，经过光刻作第二次定域硼离子注入。