摘要：本文通过TCAD工艺和器件模拟方法,从器件特性角度分析了能量污染效应,并评估了减速场模式（decel-mode）对器件性能和生产效率的影响。漂移电场模式（drift-mode）是离子注入机的理想工作模式。此时,加速离子获得的能量等于最终的离子注入能量。以漂移电场模式下5KeV离子注入为例,离子在5KeV电势场下从离子源中被吸取出来并注入到晶片上。然而,当离子注入能量减小到2KeV甚至更低时,低能离子束的空间电荷限制降低了离子萃取率和
摘要：
本文通过TCAD工艺和器件模拟方法,从器件特性角度分析了能量污染效应,并评估了减速场模式（decel-mode）对器件性能和生产效率的影响。
漂移电场模式（drift-mode）是离子注入机的理想工作模式。此时,加速离子获得的能量等于最终的离子注入能量。以漂移电场模式下5KeV离子注入为例,离子在5KeV电势场下从离子源中被吸取出来并注入到晶片上。然而,当离子注入能量减小到2KeV甚至更低时,低能离子束的空间电荷限制降低了离子萃取率和传递效率,电场漂移模式开始遇到晶片表面离子束
电流显著下降的问题。低离子束电流使生产效率急剧下降,不能满足大批量生产的需要。
为了解决生产效率下降的问题,减速场模式(decel-mode)正成为低能量离子注入的首选解决方案。减速场模式首先对离子施加比预期注入能量高得多的离子吸取电势,使离子以较高电流从离子源中被吸取出来,然后在到达晶片之前采用施加静电使其减速,恢复到预期较低能量。减速场模式的缺点是会引起能量污染问题（energy contamination,EC）。在离子减速之前一些杂质离子会和通道中的气体分子发生碰撞和电荷交换作用,最终成为不带电荷的中性原子。这些中性原子不能被减速,因此到达晶片表面时它们仍然保持较高能量,被注入片子内引起能量污染问题,使源极/漏极（
SDE）掺杂的杂质分布曲线出现较深的拖尾部区域,影响SDE结深度和晶体管特性。
要使减速场模式在大批量生产中得到日常应用,就必须将能量污染效应保持在最低限度。这一点对于减速场模式离子注入机的设计来说非常关键。缩短电荷中和路径长度和提高真空度是减小能量污染的传统解决方法。除了这些传统方法外,我们还必须采用一些更加新颖的方法进一步减小能量污染。能量污染程度以高能污染粒子占离子注入总剂量（dose,单位：原子数/
cm2）的百分比来计算。
发生离子污染现象时,SIMS测得的低能量离子注入杂质纵深分布曲线有两个显著的特征区域：大多数按照预设能量注入的离子形成的较浅区域和少量中性高能污染离子形成的较深区域。根据离子注入机的不同设计,离子束电流一定时,能量污染范围为0.3%到>1%。
提高通道浓度
为了抑制SDE结的耗尽现象,90nm及以下PMOS需要较高的通道（channel）掺杂浓度,这对于抑制短通道效应和控制器件亚阈值（
sub-threshold）特性来说非常关键。90nm及以下工艺的通道浓度将超过1.0×1019cm-3。在如此高浓度的通道中,减速场模式离子注入能量污染对SDE结深度的影响将不再那么重要,因为离子注入的尾部区域被高浓度背景通道掺杂淹没了。然而,能量污染还是会按照污染剂量的比例对背景（halo/pocket）产生反掺杂作用。
例如,假设硼掺杂能量为500eV,剂量为1.0×1015cm-2,能量污染程度为1%,能量为3KeV,那么尾部区域污染剂量将为1.0×1015cm-2,这比SDE结下halo/pocket的有效掺杂剂量（通常为5×1013~10×1013cm-2）要小。但是,无论能量污染程度有多小,由于反掺杂作用,它仍然会导致halo/pocket有效掺杂浓度的下降,使器件特性发生偏离,例如阈值电压Vt变小,截止电流Ioff和驱动电流Ids变大。
电性能偏离本身不是主要问题,因为器件参数可以通过
其它工艺参数例如通道或halo/pocket掺杂水平的调整恢复到原来的目标值。问题是SDE采用减速场模式离子注入并且能量污染程度较小时,器件性能是否能保持与漂移场模式离子注入完全一样。这一点非常重要,因为
CMOS制造中器件性能和生产效率都是关键因素。理想情况是能同时保证器件性能和生产效率,任何有损对方的方法都不是可取的。本文从器件性能的角度出发,对PMOS结构中的能量污染效应进行了研究和分析。
TCAD模拟结果
我们模拟了两种不同的高性能PMOS逻辑器件,假设分别采用
2002ITRS预计的
