PN结是在半导体底材前进行掺杂的区域，它是集成电路器件（如 二极管和晶体管）的根本部件。PN结日常是经历离子注入，再进程高温的热处治将注入离子活化而变成的。随着电子器件尺寸的进一步缩短，应付器件的性能，如泄电流和开闭速度等，PN结的质料和界面性质正扮演着越来越严重的角色。图10.1的场效应管示贪图中，区别演示了源漏极（SD）及源漏扩大组织（SDE）所对应的PN结职位及深度。

　　器件尺寸的缩小吁请栅极尺寸服从一定的部署轨则反响减小，而为了降低短沟谈效应，源漏极的结深也要响应地缩小。器件尺寸减弱后，其本征的事宜电阻（Ron=Vdd/Ion ）低落了，这就乞求源漏极的串联电阻（Rseries）也要反应地低至肯定水平（对应器件事情电阻的 一小个别）以餍足器件功能须要。并且，随着金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）尺寸裁减后，从金属硅化物到源漏极的交手电阻更加把握器件的功用。以是，把握掺杂离子/元素的浓度、撒播详尽、活化以及硅化物的酿成，都是超浅结才干的重要组成部门，对器件的效力也有留神要的功用。

　　频年来，在超浅结材干方面，我们看到了良多可喜的希望。在离子注入方面，大分子离子注入和低温离子注入本事的运用，或许获得更低的离子植入射程端缺欠和更好的非晶化功效，从而使注入离子有更好的活化用意。在热制程方面，毫秒级或亚毫秒级的退火工艺如故敏捷地替换传统的热处罚工艺或成为传统退火工艺的需要添补。

　　离子注入就是将纯洁的具有必然能量的带电离子平均地注入硅片的特定因素（这个特定位置一般由光阻或其谁们掩膜层来定义）的流程。利用离子注入技巧在半导体中掺杂是贝尔实践室的肖克利1954年的创造。履历离子注入变成掺杂（N型或P型硅衬底中掺入P型杂质 硼、铟，也许掺入N型杂质磷、砷等），是建设半导体器件的真相。

　　过程半个多世纪理论和现实的斟酌发展，离子注入手腕和设置在半导体及超大范围集成电路成立业界依旧喧赫成熟。不过随着CMOS器件的紧要尺寸中断到45nm以下，轻掺杂源漏的PN结深仍然小于20nm， 况且对深度流传的详细苦求越来越陡，这就苦求注入离子的能量要充裕低。若是以硼为圭臬换算，在45nm节点，PMOS轻掺杂源漏的离子注入能量要在1000eV乃至是几百个eV以下。

　　这样低的能量，用古板的三氟化硼作为离子源底子无法调出平稳的束流来餍足产业临蓐的要求，在这种境况下，半导体业界照旧初步用大分子团诸如碳硼烷（，，，C2B10H12，B10H14，B20H28，B18H22 ）等取代传统的 BF2+ 博鱼体育、 B+ 实行离子注入。

　　另一方面，为卓越到低阻值的超浅结，源漏极（SD）及源漏推广构造（SDE）离子注入的能量在下降，而剂量却根基维护结实甚至有所夸大，同时在注入离子活化方面，也引入了毫秒级的高温退火工艺。这使得器件对离子注入的短处驾御很敏感，比如叙离子注入引起的硅地势损害和射程端弊端将大大放大源漏端的泄电流，在后续的镍硅化物形成进程中可能造成管叙流弊。近些年来，离子注入短处把握的咨询和行使也越来越深切和成熟，比方谈低温离子注入和为了降低离子活化经过中瞬时加紧扩散而独特的配合离子注入（如C、F、 N）。下面就对这几种较劲新的离子注入工艺作爽快介绍。博鱼体育

　　在注入能量小于1keV的情形下，现有的离子注入成立依然很难调出稳固的束流来完工工艺需要，哪怕是用较高能量的萃取电压来得回离子束，博鱼体育尔后再将离子束下降到所需的注入能量。

　　为执掌这一贫困， 业界用磷和砷的二聚和多聚离子，如、、、P2、P4、AS2、AS4 来替代N型 的P和As来行为NMOS管源漏极（SD）及源漏放大结构（SDE）离子 注入源。来由要取得反映的注入射程，二聚和四聚离子的注入能量会高很多，对待离子注入机来谈，就能得回相对高的束流；况且同时注入多个原子，也大大前进了注入用意。而看待PMOS来讲，含硼的大分子，如、、B10H14、B18H22、C2B10H12 等则用来替代古代的B或BF2 离子注入，以变成源漏扩大构造的超浅结。

　　如图10.2所示，在等效的注入能量宛若的情形下，B18 和B36 不妨取得更大的注入束流。而守旧的离子注入，虽然用很高的萃取比可能得到较大的注入束流， 然而一方面离子束流不安稳，简陋随着阻隔推广而散焦，另一方面， 离子束所带的能量不纯，简陋酿成能量混同。用 B18 和B36 ，在等效于单个硼离子能量300eV条款下举行离子注入所取得的硼元素的纵向传播如图10.3所示，恐怕获得结深在10nm独揽，纵向宣扬很陡的硼掺杂。

　　除了上述的好处外，用大分子离子注入尚有另一个不言而喻的益处：谈理团半径大，材料数高，不消前置的非晶化离子注入就或许获得界面比赛平整的非晶态层（见图10.4），流程热惩办后也比较方便浸新结晶化为样式完好的单晶；况且大分子离子注入自己是掺杂和非晶态二关一的注入过程，它所变成的硅衬底的晶格摧残和弱点会比古代的注入格式低很多。正是因为具有上述长处，大分子离子注入利用在器件的修筑上揭示出极少卓绝的电学性能（见图10.5）。

　　晶片温度对离子注入工艺的作用很大，业界也早有考虑，不外近来几年又被工艺界重新提起，并还是或正在用于先辈的45/40， 32/28nm乃至更低节点的临蓐和工艺研发。各家机台产商，如维利安 （Varian）公司、亚舍立（Axcelis）公司等也都提出了各自的管辖策画。

　　离子注入机自己并没有几何转换，然而尤其用一台冷却器履历冷却液或液氮的循环，来告竣对晶圆温度的驾御，不妨让离子注入流程中，硅片温度保持在0℃以下，甚至到-100℃或更低。低温离子注入对制程工艺的更正紧急表目前可以出产更厚的非晶层（见图10.6），更平整的非晶/单晶界面，更少的射程端瑕玷（end of range defect）以及在随畏缩火进程中可以使注入离子达到较高的活化和相对较少的扩散。

　　这是来由在低温下，原子晶格处于较低的能量样式，在被注入离子反驳后，相比较较难光复单晶态，于是非晶化的快度较劲速，变成的非晶层也计较厚，并且在此历程中产生的间隙（原子）也斗劲简易徘徊在非晶态层中，或者获得较劲低的射程端毛病。图10.7即是一个计较明确的例子，同样的注入能量和剂量，无论用点状还是用带状的离子束流，或是同样用点状离子束注入分手温度条目的硅片上，末尾获取的硼元素随深度的概括传布是仿佛的，而氟元素的深度传播却收支很大，非常是深度在25nm驾御的氟的第二个尖峰名望。注时兴温度驾御在室温的硅片所对应的氟的第二个尖峰浓度要低很多，这是原故氟简陋被射程端流弊所捕捉博鱼体育，较低温度的注入条目（硅片温度）和较高的注入速率（dose rate）都不妨得到较劲厚的非晶态层和较低的射程端缺点。

　　正是来由有上述的益处，低温离子注入在确切半导体器件的创修中才会表示出斗劲好的电学效力（见图10.8），如较低的漏电流、 较少的镍硅金属硅化物管谈弊端（piping defect）等。

　　共同离子注入是（co-implantation或cocktail-implantation）的汉文翻译，本心是指用肖似于调鸡尾酒的本领，将除通常所需注入的N或P型离子除外的其全部人杂质离子（如碳，氟，氮等）整个注入所需器件的特定地区，用来调剂最后浅结的深度、概述以及校勘器件切实性和延伸使用寿命。

　　用合伙离子注入的手段来禁止退火进程中掺杂元素的扩散，发展掺杂元素的活化在65nm节点就已经获得了普通的运用，目前仍旧成为一种通顺的做法。以PMOS为例，在做源漏极延迟时，碳和氟离子就屡屡被用于合伙离子注入，以紧缩硼元素的扩散和进步它的活化率。图10.9注脚了合伙离子注入的影响意思：

　　①普通的硼和磷离子注入，硼和磷亲切射程端弊端地区，在退火时易扩散并和间隙原子变成掺杂缺陷簇；

　　②前置非晶态离子注入让掺杂元素隔断射程端流毒区，但退火历程中回流的间隙原子会推动硼扩散；

　　③碳或氟的共同离子注入，会俘获间隙硅原子和其全部人瑕玷位，提防硼纵深扩散和变成 掺杂瑕玷簇而较低活化率。

　　图10.10的扫描推广电阻式显微镜照片明晰地注脚了碳的协同注入，大大地压缩了硼在沟说下方的横向和纵向扩散。正是因由这些优势，使得协同离子注入在器件的短沟讲效应的制止、走电流的消浸以及事务电流的先进方面都有很大的修正（见 图10.11）。

　　随着CMOS能力延长到32/28nm和22/20nm节点以下，古板的平面型器件也将被3D器件双栅Fin-FET布局等代替，等离子体掺杂在半导体器件修筑中运用也提上了日程，而且越来越广大。

　　但古板的离子注入才略，由于它的确实控制性（注入杂质的纯度，浓度及注入深度），优秀的而匀称性和屡次性（单一硅片和硅片之间），况且离子注入确立自己有彪炳卓异的坚韧性和可维持性，又有很健壮的生产能力，于是离子注入仍将是掺杂的首选技巧。

　　在离子注入竖立和工艺相连纠正的同时（如离子注入角度的驾驭，能量搅浑的独揽，笨拙量离子束的坚硬性和坐褥性的进步等），离子注入的操纵范围也获取了毗连的拓展，譬喻说在更前辈的金属栅工艺中功函数的调度、金属硅化 物打仗成效的革新、在应力方面的运用、改变薄膜的性子与变换刻蚀或化学机器研磨的数率等，而各式离子注入技艺间的联结（如用低温的大分子以及与其他们方法（如退火工艺）间的团结）也越来越慎密。

　　速快热惩办工艺在创修前辈的集成电路器件中献技预防要角色， 在差别代的CMOS成立工艺中有着普遍的应用，譬喻谈，硅化钛、硅化钴、硅化镍的变成，离子注入酿成的晶格危害的扶植，掺杂离子/元素的活化，介电质量的形成，浸积薄膜的重平展化等。在这些利用中，最重要的就是超浅结的酿成，搜罗源漏极（SD）及轻掺杂源漏（LDD）或源漏伸张组织（SDE），如图10.1所示。而表10.1则列出了CMOS器件PN结深与超大范畴集成电途的演变趋势。

　　随着沟讲长度的减小，所谓的短沟叙效应（short channel effect） 会越来越彰着，反响的源漏极及轻掺杂源漏的PN结深也吁请越来越浅。为优秀到低薄层电阻的超浅结，一方面必需接纳高剂量拙劣的离子注入才气，另一方面必定采取高温热预算低的疾快热惩罚才力。图10.12列出了几种常见的热处分工艺，跟守旧的炉管退火工艺比拟，这 几种工艺选用单一的反映腔室，升降温的速率及所能达的最高温度都有了很大的先进。下面对这几种比赛先进的热惩办工艺及它们在PN超浅结方面的行使做简捷介绍。

　　如图10.12所示，重入式退火是指在晶圆的温度提升到设定的温度后，联贯保持一段时候以达到足够的注入离子活化，薄膜详细化或其所有人成果。一个规范的疾速热惩办反应室如图10.13所示，大功率的卤素钨灯发光履历石英窗后照射到晶片上，并使晶片加热。来源晶片置于必然的支撑物上并只坚持边际交手，如斯晶片反目的加热灯光不会漏 到晶片的背面，以是置于反射板下的测温计就恐怕根据黑体辐射的原因侦测到晶片的温度并实时反馈到温度把握器，而温度控制器将获得的温度值与工艺程式去计较来改动各组灯泡的功率，以期到达温度关环驾驭的办法。为了发展悉数晶片的平均性，在一些快快热处罚创立中，谋划尤其的功用让晶片在热惩办历程中支撑肯定的速度挽救。浸入式退火紧张利用于0.13μm及更早的几代CMOS器件中PN结的形成及井区离子注入后的活化及驱进。

　　如图10.12所示，尖峰退火是浸入式退火的一种极致。在尖峰退火进程中，晶圆以极速的升温快度（最速可达近250°/s）抬高到设定的温度后，又以较快的降温疾度（最速可达近90°/s）将其冷却到600℃ 以下。

　　尖峰退火的筑筑跟广泛重入式退火的筑设根底相同，不过为了达到速快升降温的主张，在工艺和征战上如故有些稀少的哀求，比如说，为了达到速快升温的要求，须要大功率的灯泡，温度实时掌握的频率也会有所先进；其它，为了到达快快降温的目标，就需要用大流量的氮气乃至氦气来发展热转换的快率。

　　尖峰退火首要操纵在0.13μm 以下的CMOS器件创设工艺中，位于轻掺杂漏和源漏极离子注入之 后，在造成超浅结的同时，筑筑离子注入变成的晶格危害和瑕玷。

　　随着CMOS器件严重尺寸的缩短，全班人心愿取得的PN结深度越来越浅，同时对应的薄层电阻要相应的低，以下降源漏极到栅极氧化层的相联电阻。这对退火工艺提出了越来越高的寻衅，这是因由你们大概经过发展退火的温度来进取注入离子的活化以降低薄层电阻，可是温度先进后，掺杂元素的扩散也会反响扩张。

　　在这种境况下，毫秒级退火工艺就应运而生。如图10.14 所示，平凡的RTA（Rapid Thermal Annealing）工艺，搜集浸入式退火和尖峰退火，如故不能符关少许高成效的65nm CMOS器件的哀告，而毫秒级退火近1300℃的瞬间高温可以同时达到高度活化和极小的扩散目标，它可以将薄层电阻和结深的对应曲线光显地向我们所想要的倾向移动，以抵达45nm、 32nm以至更高阶的CMOS制程的要求。

　　一种才力是用气体或二极管胀励产生的镭射激光来加热晶圆，紧张的出产厂家有超微半导体公司（Ultra-Tech）和应用质料公司（Applied Material）；

　　另一种才气是用超高频率的弧光灯瞬间发光来到达让晶圆加热到很高的温度，以迪恩士公司（DNS）和Mattson各自生产的快闪退火创设为代表。

　　图10.15列出了样板的几种毫秒级退火工艺示诡计。须要指出的是，当然与浸入式退火、尖峰退火比，毫秒级退火或许获取超浅结，不过主流的65nm、45nm甚至32nm CMOS工艺根蒂上都如故采用毫秒级退火搭配相对低温的尖峰退火来酿成PN超浅结。这是由来毫秒级退火时辰极短，由于离子注入变成的晶格欺负和弊端来不及所有扶植，应付重掺杂的源漏极来说尤其严重。若是只单用毫秒级退火的话，也许导致很高的结漏电流，从而消极器件的电学功能。

　　毫秒级退火在CMOS工艺过程中也许有几种分散的整关形式，如图10.16所示，它可因此一步，放在源漏极的离子注入后；也可所以两步或多步，别离在源漏扩展区的离子注入和源漏极离子注入后。它的用意严重体今朝发展活化率，降低多晶硅栅极的耗尽层及下降电性厚度，压缩短沟道效应，先进事宜电流（见图10.17）。

　　从表10.1我们看到，当CMOS的沟说长度降到22nm以下时，反映的PN超浅结的深度也降到了10nm以下。固然搭配前辈的掺杂身手，如低能量高束流的大分子或原子团离子注入，以箝制主掺杂元素扩散而极度扩大的非活性掺杂元素的离子注入，等离子体掺杂等，单一的毫秒级退火能造成超浅的PN结，但由于受固溶度的支配，相对应的 PN结薄层电阻也会呼应放大。

　　一个恐怕的治理技巧是用纳秒级的镭射热惩办才具（LTP），它也许将晶片上部分融解成液态，从而大大先进掺杂元素在晶格中的浓度，如图10.18 所示。但这一才力还缺乏成熟，来因单晶硅溶解后再结晶会发生许多缺点。别的，随着半导体器件尺寸的收缩和晶圆尺寸的增大，器件成效对热预算、对温度的敏感度越来越高。一个能够揣度的寻衅是，晶片及芯片方针的热平均性、永别方案的芯片功能分散最小化越来越紧急，也越来越难掌握。

　　办理这些艰苦，半导体设立修设厂商要念本事进步筑造的功用，征求对温度侦测、温度独揽的详尽性、实时性，虽然淹没对图形的依靠性。而芯片准备商、制造商、博鱼体育芯片代工厂在安排制造经过中，也能够有主见地参与极少捏造图形以进步晶圆层面、芯片层面乃至是晶体管之间的匀称性。

　　除此除外，在45nm以下，新的原料如源漏极外延滋长的嵌入式锗硅、高介电的栅极氧化层、金属电极、Ⅲ族Ⅴ族半导体材质等，新的器件构造如FinFET、纳米管等，都会相连涌现，这就乞请现有的这些热处理技巧跟这些新材料之间要有好的兼容性。