離子注入技術的發展趨勢及典型應用
2020-12-04 電子發燒友離子注入技術的發展趨勢及典型應用
電子發燒友 發表於 2011-05-22 12:10:31
簡述了離子注入技術的發展趨勢及典型應用，並簡要分析了該領域的技術發展方向。
關鍵詞：離子注入； 發展趨勢； 典型應用
Development and Application of Ionimplantation Technology CHEN Jiang-hong,CHEN Yang,LI Ai-cheng
Abstracts:This article discussed development history, trend and typical application of ion implantation technology. And also development direction of this field was analyzed.
Keywords:Ion implantation; Development trend; Typical application
微電子工業發展的標誌在於集成電路生產的集成度、線寬、晶片直徑、生產力等。離子注入機是集成電路生產中的一項關鍵技術。隨著集成度的提高，注入次數不斷增加，對離子注入機的綜合要求也越來越高，可以說正是離子注入機等關鍵設備的發展，才促進了半導體器件的發展，而器件的發展又反過來推動了設備的發展。
離子注入技術是把某種元素的原子電離成離子，並使其在幾十至幾百千伏的電壓下進行加速，在獲得較高速度後射入放在真空靶室中的工件材料表面的一種離子束技術。材料經離子注入後，其表面的物理、化學及機械性能會發生顯著的變化。
1 離子注入技術的發展趨勢
一般來說，製造廠家生產3種類型注入機：強流注入機、中束流注入機和高能注入機。強流注入機提供高劑量注入，大束流，且成本低。工作電壓從200eV～120keV，可以注入各種元素，所使用的離子源是燈絲結構，或是抗熱陰極非直接加熱，產生電子和離子。另一種方法是採用ＲＦ射頻源技術，實際上是在磁場環境產生分子激勵，然後產生更高的引出束流和更冷的靜等離子體。傳統的強流注入採用批量工藝降低成本。這要求將13張圓片放在固體鋁盤上，在1000～11200r/min速率下旋轉。最近Varian推出了一項處理圓片的新技術，將圓片風險降至最低。Varian介紹SHC－80圓片，實質上是一個系列工藝類型，該類型比市場上其他的更迅速、更乾淨，只需要批處理系統的小部分部件工作。機器允許以低廉的成本處理200mm和300mm圓片。
高能注入帶來更大的靈活性，同時提高亞微米器件結構的特性。其優點還包括低熱負荷，IC製作上工藝靈活性強。摻雜麵可以修整優化滿足不同器件性能要求，具有通道靈活性、熱載生成，結電容和CMOS閂鎖敏感性。利用高能注入可保證微米層在表面以下生成而不形成任何形式的擾動。使用的技術類似於200keV下的通用技術，此時離子穿透基片更高，在靠近表面的基片背景層無任何擾動。集中尖峰緩慢移動靠近表面，然後形成一道逆行牆。因此高能注入給IC製作帶來更多機遇。
國際半導體技術發展，使得離子注入技術面臨兩大主要挑戰：
（1）形成低洩漏淺結；（2）以低成本使用MeV注入替代外延，利用低能硼離子束注入技術獲得高質量淺ｐ型結進行注入的分子動態研究。
獲得高質量的淺ｐ型結的最新技術由Kyoto大學離子束工程實驗室完成。採用硼化氫的簇離子注入技術形成淺結。小的硼束流和單體注入進行分子動態模擬。在最後階段，通過B10簇形成損害可望避免附加B原子瞬態提高擴散，獲得高質量淺ｐ型結。
2 離子注入技術應用領域
2．1 離子注入應用於金屬材料改性
離子注入應用於金屬材料改性，是在經過熱處理或表面鍍膜工藝的金屬材料上，注入一定劑量和能量的離子到金屬材料表面，改變材料表層的化學成份、物理結構和相態，從而改變材料的力學性能、化學性能和物理性能。具體地說，離子注入能改變材料的聲學、光學和超導性能，提高材料的工作硬度、耐磨損性、抗腐蝕性和抗氧化性，最終延長材料工作壽命。離子注入提高工模具的耐磨性能、金屬樣品的抗疲勞性以及金屬表面耐腐蝕性分別列於表1、2、3。
2．2 離子注入機應用於摻雜工藝
在半導體工藝技術中，離子注入具有高精度的劑量均勻性和重複性，可以獲得理想的摻雜濃度和集成度，使電路的集成、速度、成品率和壽命大為提高，成本及功耗降低。這一點不同於化學氣相澱積，化學氣相澱積要想獲得理想的參數，如膜厚和密度，需要調整設備設定參數，如溫度和氣流速率，是一個複雜過程。上個世紀70年代要處理簡單一個的ｎ型金屬氧化物半導體可能只需6～8次注入，而現代嵌入記憶功能的CMOS集成電路可能需要注入達35次。
技術應用需要劑量和能量跨越幾個等級，多數注入情況為：每個盒子的邊界接近，個別工藝因設計差異有所變化。隨著能量降低，離子劑量通常也會下降。具備經濟產出的最高離子注入劑量是1016/cm2，相當於20個原子層。
2．3 在SOI技術中的應用
由於SOI技術（Silicon-on-Insulation）在亞微米ULSI低壓低功耗電路和抗輻照電路等方面日益成熟的應用，人們對SOI製備技術進行了廣泛探索。
1966年Watanabe和Tooi首先報導通過O＋注入形成SILF表面的Si氧化物來進行器件間的絕緣隔離的可能性。1978年，NTT報導用這項技術研製出高速、低功耗的CMOS鏈振蕩電路後，這種注O＋技術成為眾人注目的新技術。從而注氧隔離技術即SIMOX就成了眾多SOI製備技術中最有前途的大規模集成電路生產技術。1983年ＮＴＴ成功運用了SIMOX技術大批生產了COMSBSH集成電路；1986年ＮＴＴ還研製了抗輻射器件。這一切，使得NTT聯合EATON公司共同開發了強流氧離子注入機（束流達100mA），之後EATON公司生產了一系列NV－200超強流氧離子注入機，後來Ibis公司也研製了Ibis－1000超強流氧離子注入。從此SIMOX技術進入了大規模生產年代。到了上世紀90年代後期，人們在對SIMOX材料的廣泛應用進行研究的同時，也發現了注氧形成的SOI材料存在一些難以克服的缺點，如矽島、缺陷，頂部矽層和氧化層的厚度不均勻等，從而導致了人們開始著眼於注氫和矽片鍵合技術相結合的智能剝離技術即SMART CUT技術的研製，上世紀90年代末期，H＋離子注入成了新的熱門話題。目前雖無專門的H＋離子注入機，但隨著SMART CUT工藝日趨成熟，不久將會出現專門的H＋離子注入機。
除了半導體生產行業外，離子注入技術也廣泛應用於金屬、陶瓷、玻璃、複合物、聚合物、礦物以及植物種子改良上。
3 結束語
21世紀微電子行業將走產業化道路，目前國內需求日益擴大。伴隨著器件的發展，設備一定要跟上國際發展趨勢，定好目標、打好基礎，努力提高離子注入技術水平，為微電子行業產業化的後續發展提供技術支撐。
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