40nm BSI CMOS Image Sensor预览

NMOS VT Adjust Implant Mask Lithography

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NMOS VT Adjust Ion Implantation

Ashing & Strip/Clean
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工艺截面图

NMOS · N2 · VT Adjust Implant (Channel)PR mask (I-line · NVT)screen ox (SiO2, thermal)VT adjust (11B+, periphery channel)SiO2 liner (SACVD)SiO2 (SACVD bulk fill)n+ N-well contact (31P+)p+ surface passivation (10B+)Liner SiO2 (RTP thermal)P-well (pixel array, 11B+)P-well (periphery, 11B+)PD N-well (31P+)SiNN-well (periphery, 31P+)SiP-well (implanted region)

本步要点

由此产生的掺杂分布导致表面附近的受主浓度局部增加,确保了NMOS能够作为具有正阈值电压的增强型器件正常工作 。

原理展开

NMOS $V_T$调节离子注入(IIP)步骤紧接在仅定义并曝光NMOS有源区的光刻工艺之后 。此步骤的主要目标是通过在沟道区引入受控剂量的p型掺杂剂,精确校准NMOS晶体管的阈值电压($V_{TH}$) 。正如 中所证明的,这种阈值调节注入是有意通过牺牲氧化层而非最终栅极介质层来执行的。通过这种屏蔽氧化层进行注入,可以防止表面沟道效应(channeling),并保护下方的硅免受直接的晶格损伤或金属污染,从而确保在去除牺牲氧化层后生长出的最终栅极氧化层

具有较高的介质击穿良率 。此步骤的物理机制依赖于改变半导体的局部载流子浓度,以调节表面附近的费米能级 。MOS器件的基准阈值电压由平带电压、表面势和耗尽区电荷决定 。通过将p型离子加速注入衬底,注入过程在MOS沟道耗尽区内引入了额外的薄层电荷,从而根据注入剂量有效移动了阈值电压 。由此产生的掺杂分布导致表面附近的受主浓度局部增加,确保了NMOS能够作为具有正阈值电压的增强型器件正常工作 。高能离子级联会位移硅原子,因此需要随后的热循环来激活掺杂剂并修复晶格 。硼是NMOS $V_{TH}$调节选用的标准掺杂剂,因为它在硅晶格中表现为浅能级受主 。注入能量需经过仔细校准:既要足够高以穿透牺牲屏蔽氧化层,又要足够低以将掺杂峰值严格限制在将要形成反型层的硅表面附近 。参数间的相互作用非常敏感;增加注入剂量会提高阈值电压,但同时会增加反型层中的平均垂直电场 。随着这种有效垂直电场的增加,表面散射加剧,导致电子表面迁移率($\mu_{ns}$)退化至体材料值的几分之一,从而固有地限制了晶体管的最大驱动电流 。在40nm BSI CMOS图像传感器工艺流程中,此步骤与前面的光刻步骤不同,后者仅使用光刻胶定义空间边界 (工程实践)。在40nm节点,标准的硼注入通常会辅以铟等更重的p型物质,以实现陡峭的逆行沟道掺杂分布,从而在保持表面迁移率的同时抑制短沟道效应 。此外,由于图像传感器对暗电流高度敏感,沟道注入必须与口袋区(pocket)及源/漏掺杂分布进行精细的协同优化,以同时降低寄生结电容并抑制结漏电机制,例如产生-复合及带带隧穿效应 。

风险与挑战

  • [High] 沟道迁移率退化:过高的注入剂量会显著增加沟道反型层内的局部平均垂直电场 。这种升高的垂直电场加剧了硅表面的载流子散射,从而大幅降低了电子表面迁移率,并导致 NMOS 器件的整体驱动电流 ($I_{on}$) 退化 。

  • [Medium] 阈值电压 ($V_{TH}$) 变异性:预先存在的牺牲氧化层厚度变化可能会改变注入离子的有效投影范围 (工程实践)。如果掺杂分布向衬底深处偏移,则无法在关键的栅极电介质界面处获得高激活掺杂浓度,导致耗尽特性不理想,并造成晶圆范围内阈值电压的离散性升高 。

  • [Medium] 注入诱导的结漏电:高能离子轰击会不可避免地产生剧烈的级联损伤,导致每个入射离子置换数以千计的硅原子 。如果随后的热退火工艺预算不足以完全消除这些填隙式缺陷,残留的陷阱态将作为产生-复合中心,严重增加结漏电流 ($I_{j,leak}$),并降低图像传感器的噪声性能 。

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相关步骤

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  • Implant Oxide Removal
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