本文介紹了一種在MOSFET（金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管）特征尺寸縮小至深亞微米級(jí)別、短溝道效應(yīng)顯著時(shí)采用的一種離子注入技術(shù)：暈環(huán)技術(shù)。

離子注入

在半導(dǎo)體制造工藝中指的是離子注入（Ion Implantation），即通過高能加速器將特定類型的雜質(zhì)原子（如硼、磷等）以高速度注入到硅襯底中，從而改變其電學(xué)性質(zhì)。這一過程用于調(diào)整晶體管的閾值電壓、形成源極和漏極等結(jié)構(gòu)。

為什么要Halo IMP

隨著MOSFET（金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管）特征尺寸縮小至深亞微米級(jí)別，短溝道效應(yīng)（Short Channel Effects, SCEs）成為了一個(gè)顯著的問題。為了應(yīng)對(duì)這些問題，特別是亞閾值漏電流過大，一種稱為暈環(huán)注入（Halo Implant）的技術(shù)被引入。暈環(huán)注入是一種特殊的離子注入方法，它通過大角度傾斜注入，將與襯底相同類型的摻雜離子注入到源漏區(qū)和襯底之間，形成一個(gè)高摻雜濃度的區(qū)域——即暈環(huán)（Halo）結(jié)構(gòu)。這個(gè)結(jié)構(gòu)的主要目的是阻止源漏耗盡區(qū)向溝道擴(kuò)展，抑制短溝道效應(yīng)和漏致勢(shì)壘降低效應(yīng)（Drain Induced Barrier Lowering, DIBL），并減少不必要的泄漏電流。

Halo IMP 位置

在制作MOSFET時(shí)，特別是在深亞微米制程節(jié)點(diǎn)，為了防止源漏區(qū)耗盡層向溝道擴(kuò)展而導(dǎo)致的源漏串通效應(yīng)以及減小泄漏電流，會(huì)在源漏區(qū)與襯底之間形成一個(gè)高摻雜濃度的區(qū)域——即暈環(huán)（Halo）結(jié)構(gòu)。這個(gè)結(jié)構(gòu)通常位于輕摻雜漏（Lightly Doped Drain, LDD）離子注入:LDD(Lightly Doped Drain)區(qū)域之下，并且與襯底具有相同的導(dǎo)電類型但更高的摻雜濃度。

Halo IMP對(duì)器件性能的提升

減少短溝道效應(yīng)：暈環(huán)結(jié)構(gòu)能夠有效阻止源漏耗盡區(qū)向溝道區(qū)擴(kuò)展，從而抑制了由于電荷共享引起的源漏串通效應(yīng)。

降低泄漏電流：通過增加靠近溝道邊緣的摻雜濃度，可以增強(qiáng)柵極對(duì)溝道的控制能力，進(jìn)而減少不必要的泄漏電流。

改善柵控能力：暈環(huán)的存在提高了柵極對(duì)溝道載流子流動(dòng)的控制力，使得柵極電壓更有效地調(diào)節(jié)溝道中的電場(chǎng)分布。

優(yōu)化閾值電壓：適當(dāng)設(shè)計(jì)的暈環(huán)可以調(diào)節(jié)MOSFET的閾值電壓，使其更適合低功耗應(yīng)用。

提高遷移率和速度：較低的溝道摻雜濃度有助于提高載流子遷移率，同時(shí)降低了結(jié)電容和延遲時(shí)間，提升了電路的速度性能。

Halo IMP的技術(shù)挑戰(zhàn)

盡管Halo IMP帶來了諸多好處，但它也引入了一些新的挑戰(zhàn)：

反向短溝道效應(yīng)：如果暈環(huán)設(shè)計(jì)不當(dāng)，可能會(huì)導(dǎo)致反向短溝道效應(yīng)，影響器件的正常工作。

驅(qū)動(dòng)電流降低：過高的暈環(huán)摻雜可能導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)電流有所下降。

寄生電流問題：如帶間隧穿（Band-to-Band Tunneling, BTBT）和柵誘導(dǎo)漏極泄漏（Gate-Induced Drain Leakage, GIDL）電流可能增加，這取決于暈環(huán)區(qū)域的具體形狀和摻雜分布。

Halo IMP的關(guān)鍵參數(shù)

注入角度（Angle）：決定了暈環(huán)區(qū)的寬度和深度。較大的注入角度可以在不顯著增加源漏寄生電容的情況下，有效防止泄漏電流增大。

注入能量（Energy）：影響暈環(huán)區(qū)的深度和寬度。較高的能量可以使摻雜更深地進(jìn)入亞溝道區(qū)，但過高會(huì)抬升閾值電壓。

注入劑量（Dose）：直接決定了暈環(huán)區(qū)的摻雜濃度。合適的劑量對(duì)于平衡抑制短溝道效應(yīng)和避免過大的泄漏電流至關(guān)重要。