一、問(wèn)題提出
　　
　　一次與同行談?wù)摼чl管的擴(kuò)散工藝時(shí)，提起了“離子注入”，說(shuō)北京制造碳化硅功率半導(dǎo)體器件的某公司zui近進(jìn)了一臺(tái)進(jìn)口的離子注入機(jī)，耗資一千多萬(wàn)。為了充分利用這臺(tái)設(shè)備，愿意和電力電子器件制造單位共同合作，開(kāi)拓更寬的應(yīng)用領(lǐng)域。做了一輩子晶閘管的我從來(lái)沒(méi)有與離子注入技術(shù)有過(guò)接觸，原因可能是在過(guò)去晶閘管的技術(shù)會(huì)議上和發(fā)表的晶閘管技術(shù)文章上基本沒(méi)有離子注入技術(shù)應(yīng)用的報(bào)道，于是無(wú)形中疏忽了這一技術(shù)，平時(shí)也沒(méi)有進(jìn)一步了解的想法。時(shí)代在進(jìn)步、技術(shù)在發(fā)展，如今這一“新聞”倒引起了我的關(guān)注。因?yàn)檫^(guò)去用不上的技術(shù)，一旦進(jìn)步、發(fā)展了就不但可能更好甚至有可能替代過(guò)去的習(xí)慣做法。晶閘管的PN結(jié)歷來(lái)是用高溫?cái)U(kuò)散技術(shù)制成的，如果用離子注入技術(shù)做出的PN結(jié)在結(jié)深、濃度、缺陷等指標(biāo)上優(yōu)于擴(kuò)散法，而且溫度低、時(shí)間短、操作簡(jiǎn)單、成本低，那么不妨可以一試，好在有現(xiàn)成的進(jìn)口的離子注入機(jī)供合作。當(dāng)然，要做大量的試驗(yàn)，摸索工藝條件，需要投入一定的人力、物力、財(cái)力和時(shí)間才能達(dá)到應(yīng)用的目的。
　　
　　一次談話引起了我對(duì)離子注入技術(shù)的興趣，為此，找了幾篇文章認(rèn)真閱讀，這才對(duì)此技術(shù)有了一點(diǎn)點(diǎn)了解。為了使大家都有所了解，概要作一介紹。
　　
　　二、離子注入技術(shù)簡(jiǎn)介
　　
　　離子注入技術(shù)提出于上世紀(jì)五十年代，剛提出時(shí)是應(yīng)用在原子物理和核物理究領(lǐng)域。后來(lái)，隨著工藝的成熟，在1970年左右，這種技術(shù)被引進(jìn)半導(dǎo)體制造行業(yè)。離子注入技術(shù)有很多傳統(tǒng)工藝所不具備的優(yōu)點(diǎn)，比如：是加工溫度低，易做淺結(jié)，大面積注入雜質(zhì)仍能保證均勻，摻雜種類廣泛，并且易于自動(dòng)化。
　　
　　離子注入技術(shù)的應(yīng)用，大大地推動(dòng)了半導(dǎo)體器件和集成電路工業(yè)的發(fā)展，從而使集成電路的生產(chǎn)進(jìn)入了大規(guī)模及超大規(guī)模時(shí)代(ULSI)。
　　
　　1，半導(dǎo)體離子注入慘雜原理
　　
　　離子注入是對(duì)半導(dǎo)體進(jìn)行摻雜的一種方法。它是將雜質(zhì)電離成離子并聚焦成離子束，在電場(chǎng)中加速而獲得*的動(dòng)能后，注入到硅中而實(shí)現(xiàn)摻雜。
　　
　　離子具體的注入過(guò)程是：離子注入到半導(dǎo)體(靶)后，入射離子與半導(dǎo)體的原子核和電子不斷發(fā)生碰撞，其方向改變，能量減少，經(jīng)過(guò)一段曲折路徑的運(yùn)動(dòng)后，因動(dòng)能耗盡而停止在某處。
　　
　　離子通過(guò)與硅原子的碰撞將能量傳遞給硅原子，使得硅原子成為新的入射粒子，新入射粒子又會(huì)與其它硅原子碰撞，形成連鎖反應(yīng)。雜質(zhì)在硅片中移動(dòng)會(huì)產(chǎn)生一條晶格受損路徑，損傷情況取決于雜質(zhì)離子的輕重，這使硅原子離開(kāi)格點(diǎn)位置，形成缺陷，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致襯底由晶體結(jié)構(gòu)變?yōu)榉蔷w結(jié)構(gòu)。缺陷的存在使半導(dǎo)體中載流子的遷移率下降，少子壽命縮短，從而影響器件的性能。此外，注入離子的很大部分并不正好處在晶格格點(diǎn)上，它們沒(méi)有活性。為了消除缺陷并激活注入的離子，注入后的樣品必須進(jìn)行退火。
　　
　　在如今的半導(dǎo)體行業(yè)中，主要采用快速熱退火(RTA)工藝。這種工藝的退火過(guò)程很快(例如小于1分鐘),能夠保證高溫下,退火超越擴(kuò)散，因此具有zui小化雜質(zhì)擴(kuò)散的優(yōu)點(diǎn)。
　　
　　離子射程就是離子進(jìn)入硅片后，從表面到停止所經(jīng)過(guò)的路程。入射離子能量越高，射程就會(huì)越長(zhǎng)。
　　
　　投影射程是離子注入硅片內(nèi)部的深度。
　　
　　2，離子注入機(jī)
　　
　　離子注入機(jī)總體上分為七個(gè)主要的部分，分別是：
　　
　　①離子源：
　　
　　根據(jù)離子源的類型分類，可以將其分為兩類：等離子體型氣體離子源、液態(tài)金屬離子源(LMIS)。
　　
　?、谫|(zhì)量分析器：
　　
　　不同離子具有不同的電荷質(zhì)量比，因而在分析器磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)的角度不同，由
　　
　　此可分離出所需的雜質(zhì)離子，且離子束很純。
　　
　?、奂铀倨鳎?br />　　
　　為高壓靜電場(chǎng)，用來(lái)對(duì)離子束加速。該加速能量是決定離子注入深度的一個(gè)
　　
　　重要參量。
　　
　?、苤行允破鳎?br />　　
　　利用偏移電極和偏移角度分離中性原子。
　　
　?、菥劢瓜到y(tǒng)：
　　
　　用來(lái)將加速后的離子聚集成直徑為數(shù)毫米的離子束。
　　
　　⑥偏轉(zhuǎn)掃描系統(tǒng)：
　　
　　用來(lái)實(shí)現(xiàn)離子束x、y方向的一定面積內(nèi)進(jìn)行掃描。
　　
　?、吖ぷ魇遥?br />　　
　　放置硅片的地方，其位置可調(diào)。
　　
　　3，離子注入技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)
　　
　　優(yōu)點(diǎn)：
　　
　?、倏煽匦院谩Ｔ瓌t上各種元素均可成為摻雜元素，并可以達(dá)到常規(guī)方法所無(wú)法達(dá)到的摻雜濃度。對(duì)于那些常規(guī)方法不能摻雜的元素,離子注入技術(shù)也并不難實(shí)現(xiàn)。能控制摻雜的濃度分布和摻雜深度，因而適于制作極低的濃度和很淺的結(jié)深;
　　
　?、诩儍魮诫s。離子注入是在真空系統(tǒng)中進(jìn)行的,同時(shí)使用高分辨率的質(zhì)量分析
　　
　　器,保證摻雜離子具有*的純度;
　　
　?、圩⑷腚x子時(shí)襯底溫度可自由選擇。根據(jù)需要既可以在高溫下?lián)诫s，也可以在
　　
　　室溫或低溫條件下?lián)诫s。避免了高溫過(guò)程帶來(lái)的不利影響，如結(jié)的推移、熱
　　
　　缺陷、硅片的變形等;
　　
　?、芙Y(jié)面比較平坦;
　　
　?、莨に囲`活，可以穿透表面薄膜注入到下面的襯底中，也可以采用多種材料作掩蔽膜，如二氧化硅、氮化硅、金屬膜或光刻膠等;
　　
　?、蘧鶆蛐院椭貜?fù)性好，可大面積均勻注入。離子注入系統(tǒng)中的束流掃描裝置可
　　
　　以保證在很大的面積上具有很高的摻雜均勻性;
　　
　?、邫M向擴(kuò)展小。離子注入的橫向摻雜效應(yīng)比擴(kuò)散大大減少，有利于提高集成電
　　
　　路的集成度、提高器件和集成電路的工作頻率;
　　
　?、嗫梢杂秒姷姆椒▉?lái)控制離子束，因而易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，同時(shí)也易于實(shí)現(xiàn)無(wú)掩模的聚焦離子束技術(shù);
　　
　　缺點(diǎn)：
　　
　?、匐x子注入將在硅片中產(chǎn)生大量晶格缺陷;
　　
　　②離子注入難以獲得很深的結(jié)深;
　　
　?、垭x子注入的生產(chǎn)效率比擴(kuò)散工藝低;
　　
　?、茈x子注入設(shè)備系統(tǒng)復(fù)雜，操作需仔細(xì)且價(jià)格昂貴;
　　
　?、莞邷貢?huì)造成雜質(zhì)再分布，增加結(jié)深以及橫向摻雜效應(yīng);
　　
　　4，討論
　　
　　離子注入首先是作為一種半導(dǎo)體材料的摻雜技術(shù)發(fā)展起來(lái)的。低溫?fù)诫s、的劑量控制、掩蔽容易、均勻性好這些優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路來(lái)說(shuō)，是一種理想的摻雜工藝。如前所述，離子注入層是極薄的，同時(shí)，離子束的直進(jìn)性保證注入的離子幾乎是垂直地向內(nèi)摻雜，橫向擴(kuò)散極其微小，這樣就有可能使電路的線條更加纖細(xì)，線條間距進(jìn)一步縮短，從而大大提高集成度。它所取得的成功是其*性的例證。
　　
　　但是只能實(shí)現(xiàn)淺結(jié)深慘雜的PN結(jié)和退火時(shí)產(chǎn)生的大量晶格缺陷正是晶閘管所不能接受的。晶閘管承受高壓時(shí)空間電荷層的擴(kuò)展需要一定的結(jié)深，離子注入技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到這個(gè)結(jié)深要求。再加上生產(chǎn)效率比擴(kuò)散工藝低、離子注入設(shè)備價(jià)格昂貴操作復(fù)雜、成本自然上升。設(shè)想即使可用，晶閘管企業(yè)也不會(huì)有多大的興趣。然而，因?yàn)闆](méi)有實(shí)踐，不知道離子注入技術(shù)本身的優(yōu)點(diǎn)能否使晶閘管性能得到明顯的提高，現(xiàn)在絕不能斷言離子注入技術(shù)在晶閘管制造中無(wú)用。如果從理論上證明能大幅度提高晶閘管的技術(shù)性能，那不妨實(shí)踐一下，至于其缺點(diǎn)可采取其它有效措施給予彌補(bǔ)。所以目前需做的事是進(jìn)一步的論證和開(kāi)展適量的工藝試驗(yàn)。