离子注入技术概述及应用实例

简述了离子注入技术的发展趋势及典型应用，并简要分析了该领域的技术发展方向。

关键词：离子注入； 发展趋势； 典型应用
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
　　微电子工业发展的标志在于集成电路生产的集成度、线宽、晶片直径、生产力等。离子注入机是集成电路生产中的一项关键技术。随着集成度的提高，注入次数不断增加，对离子注入机的综合要求也越来越高，可以说正是离子注入机等关键设备的发展，才促进了半导体器件的发展，而器件的发展又反过来推动了设备的发展。

离子注入技术是把某种元素的原子电离成离子，并使其在几十至几百千伏的电压下进行加速，在获得较高速度后射入放在真空靶室中的工件材料表面的一种离子束技术。材料经离子注入后，其表面的物理、化学及机械性能会发生显著的变化。

1 离子注入技术的发展趋势
　　一般来说，制造厂家生产3种类型注入机：强流注入机、中束流注入机和高能注入机。强流注入机提供高剂量注入，大束流，且成本低。工作电压从200eV～120keV，可以注入各种元素，所使用的离子源是灯丝结构，或是抗热阴极非直接加热，产生电子和离子。另一种方法是采用ＲＦ射频源技术，实际上是在磁场环境产生分子激励，然后产生更高的引出束流和更冷的静等离子体。传统的强流注入采用批量工艺降低成本。这要求将13张圆片放在固体铝盘上，在1000～11200r/min速率下旋转。最近Varian推出了一项处理圆片的新技术，将圆片风险降至最低。Varian介绍SHC－80圆片，实质上是一个系列工艺类型，该类型比市场上其他的更迅速、更干净，只需要批处理系统的小部分部件工作。机器允许以低廉的成本处理200mm和300mm圆片。
　　高能注入带来更大的灵活性，同时提高亚微米器件结构的特性。其优点还包括低热负荷，IC制作上工艺灵活性强。掺杂面可以修整优化满足不同器件性能要求，具有通道灵活性、热载生成，结电容和CMOS闩锁敏感性。利用高能注入可保证微米层在表面以下生成而不形成任何形式的扰动。使用的技术类似于200keV下的通用技术，此时离子穿透基片更高，在靠近表面的基片背景层无任何扰动。集中尖峰缓慢移动靠近表面，然后形成一道逆行墙。因此高能注入给IC制作带来更多机遇。
　　国际半导体技术发展，使得离子注入技术面临两大主要挑战：
　　（1）形成低泄漏浅结；（2）以低成本使用MeV注入替代外延，利用低能硼离子束注入技术获得高质量浅ｐ型结进行注入的分子动态研究。
　　获得高质量的浅ｐ型结的最新技术由Kyoto大学离子束工程实验室完成。采用硼化氢的簇离子注入技术形成浅结。小的硼束流和单体注入进行分子动态模拟。在最后阶段，通过B10簇形成损害可望避免附加B原子瞬态提高扩散，获得高质量浅ｐ型结。
2 离子注入技术应用领域
2．1 离子注入应用于金属材料改性
离子注入应用于金属材料改性，是在经过热处理或表面镀膜工艺的金属材料上，注入一定剂量和能量的离子到金属材料表面，改变材料表层的化学成份、物理结构和相态，从而改变材料的力学性能、化学性能和物理性能。具体地说，离子注入能改变材料的声学、光学和超导性能，提高材料的工作硬度、耐磨损性、抗腐蚀性和抗氧化性，最终延长材料工作寿命。离子注入提高工模具的耐磨性能、金属样品的抗疲劳性以及金属表面耐腐蚀性分别列于表1、2、3。

2．2 离子注入机应用于掺杂工艺
在半导体工艺技术中，离子注入具有高精度的剂量均匀性和重复性，可以获得理想的掺杂浓度和集成度，使电路的集成、速度、成品率和寿命大为提高，成本及功耗降低。这一点不同于化学气相淀积，化学气相淀积要想获得理想的参数，如膜厚和密度，需要调整设备设定参数，如温度和气流速率，是一个复杂过程。上个世纪70年代要处理简单一个的ｎ型金属氧化物半导体可能只需6～8次注入，而现代嵌入记忆功能的CMOS集成电路可能需要注入达35次。
技术应用需要剂量和能量跨越几个等级，多数注入情况为：每个盒子的边界接近，个别工艺因设计差异有所变化。随着能量降低，离子剂量通常也会下降。具备经济产出的最高离子注入剂量是1016/cm2，相当于20个原子层。
2．3 在SOI技术中的应用
由于SOI技术（Silicon-on-Insulation）在亚微米ULSI低压低功耗电路和抗辐照电路等方面日益成熟的应用，人们对SOI制备技术进行了广泛探索。
1966年Watanabe和Tooi首先报道通过O＋注入形成SILF表面的Si氧化物来进行器件间的绝缘隔离的可能性。1978年，NTT报道用这项技术研制出高速、低功耗的CMOS链振荡电路后，这种注O＋技术成为众人注目的新技术。从而注氧隔离技术即SIMOX就成了众多SOI制备技术中最有前途的大规模集成电路生产技术。1983年ＮＴＴ成功运用了SIMOX技术大批生产了COMSBSH集成电路；1986年ＮＴＴ还研制了抗辐射器件。这一切，使得NTT联合EATON公司共同开发了强流氧离子注入机（束流达100mA），之后EATON公司生产了一系列NV－200超强流氧离子注入机，后来Ibis公司也研制了Ibis－1000超强流氧离子注入。从此SIMOX技术进入了大规模生产年代。到了上世纪90年代后期，人们在对SIMOX材料的广泛应用进行研究的同时，也发现了注氧形成的SOI材料存在一些难以克服的缺点，如硅岛、缺陷，顶部硅层和氧化层的厚度不均匀等，从而导致了人们开始着眼于注氢和硅片键合技术相结合的智能剥离技术即SMART CUT技术的研制，上世纪90年代末期，H＋离子注入成了新的热门话题。目前虽无专门的H＋离子注入机，但随着SMART CUT工艺日趋成熟，不久将会出现专门的H＋离子注入机。
除了半导体生产行业外，离子注入技术也广泛应用于金属、陶瓷、玻璃、复合物、聚合物、矿物以及植物种子改良上。