一、問題提出
　　
　　一次與同行談論晶閘管的擴散工藝時，提起了“離子注入”，說北京制造碳化硅功率半導體器件的某公司zui近進了一臺進口的離子注入機，耗資一千多萬。為了充分利用這臺設備，愿意和電力電子器件制造單位共同合作，開拓更寬的應用領域。做了一輩子晶閘管的我從來沒有與離子注入技術有過接觸，原因可能是在過去晶閘管的技術會議上和發(fā)表的晶閘管技術文章上基本沒有離子注入技術應用的報道，于是無形中疏忽了這一技術，平時也沒有進一步了解的想法。時代在進步、技術在發(fā)展，如今這一“新聞”倒引起了我的關注。因為過去用不上的技術，一旦進步、發(fā)展了就不但可能更好甚至有可能替代過去的習慣做法。晶閘管的PN結歷來是用高溫擴散技術制成的，如果用離子注入技術做出的PN結在結深、濃度、缺陷等指標上優(yōu)于擴散法，而且溫度低、時間短、操作簡單、成本低，那么不妨可以一試，好在有現(xiàn)成的進口的離子注入機供合作。當然，要做大量的試驗，摸索工藝條件，需要投入一定的人力、物力、財力和時間才能達到應用的目的。
　　
　　一次談話引起了我對離子注入技術的興趣，為此，找了幾篇文章認真閱讀，這才對此技術有了一點點了解。為了使大家都有所了解，概要作一介紹。
　　
　　二、離子注入技術簡介
　　
　　離子注入技術提出于上世紀五十年代，剛提出時是應用在原子物理和核物理究領域。后來，隨著工藝的成熟，在1970年左右，這種技術被引進半導體制造行業(yè)。離子注入技術有很多傳統(tǒng)工藝所不具備的優(yōu)點，比如：是加工溫度低，易做淺結，大面積注入雜質(zhì)仍能保證均勻，摻雜種類廣泛，并且易于自動化。
　　
　　離子注入技術的應用，大大地推動了半導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)進入了大規(guī)模及超大規(guī)模時代(ULSI)。
　　
　　1，半導體離子注入慘雜原理
　　
　　離子注入是對半導體進行摻雜的一種方法。它是將雜質(zhì)電離成離子并聚焦成離子束，在電場中加速而獲得*的動能后，注入到硅中而實現(xiàn)摻雜。
　　
　　離子具體的注入過程是：離子注入到半導體(靶)后，入射離子與半導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)過一段曲折路徑的運動后，因動能耗盡而停止在某處。
　　
　　離子通過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，新入射粒子又會與其它硅原子碰撞，形成連鎖反應。雜質(zhì)在硅片中移動會產(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，這使硅原子離開格點位置，形成缺陷，嚴重時導致襯底由晶體結構變?yōu)榉蔷w結構。缺陷的存在使半導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上，它們沒有活性。為了消除缺陷并激活注入的離子，注入后的樣品必須進行退火。
　　
　　在如今的半導體行業(yè)中，主要采用快速熱退火(RTA)工藝。這種工藝的退火過程很快(例如小于1分鐘),能夠保證高溫下,退火超越擴散，因此具有zui小化雜質(zhì)擴散的優(yōu)點。
　　
　　離子射程就是離子進入硅片后，從表面到停止所經(jīng)過的路程。入射離子能量越高，射程就會越長。
　　
　　投影射程是離子注入硅片內(nèi)部的深度。
　　
　　2，離子注入機
　　
　　離子注入機總體上分為七個主要的部分，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)。
　　
　　②質(zhì)量分析器：
　　
　　不同離子具有不同的電荷質(zhì)量比，因而在分析器磁場中偏轉的角度不同，由
　　
　　此可分離出所需的雜質(zhì)離子，且離子束很純。
　　
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　　為高壓靜電場，用來對離子束加速。該加速能量是決定離子注入深度的一個
　　
　　重要參量。
　　
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　　利用偏移電極和偏移角度分離中性原子。
　　
　?、菥劢瓜到y(tǒng)：
　　
　　用來將加速后的離子聚集成直徑為數(shù)毫米的離子束。
　　
　?、奁D掃描系統(tǒng)：
　　
　　用來實現(xiàn)離子束x、y方向的一定面積內(nèi)進行掃描。
　　
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　　放置硅片的地方，其位置可調(diào)。
　　
　　3，離子注入技術的優(yōu)缺點
　　
　　優(yōu)點：
　　
　?、倏煽匦院?。原則上各種元素均可成為摻雜元素，并可以達到常規(guī)方法所無法達到的摻雜濃度。對于那些常規(guī)方法不能摻雜的元素,離子注入技術也并不難實現(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深;
　　
　?、诩儍魮诫s。離子注入是在真空系統(tǒng)中進行的,同時使用高分辨率的質(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。避免了高溫過程帶來的不利影響，如結的推移、熱
　　
　　缺陷、硅片的變形等;
　　
　　④結面比較平坦;
　　
　?、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;
　　
　　⑥均勻性和重復性好，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;
　　
　　⑦橫向擴展小。離子注入的橫向摻雜效應比擴散大大減少，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;
　　
　　⑧可以用電的方法來控制離子束，因而易于實現(xiàn)自動控制，同時也易于實現(xiàn)無掩模的聚焦離子束技術;
　　
　　缺點：
　　
　?、匐x子注入將在硅片中產(chǎn)生大量晶格缺陷;
　　
　?、陔x子注入難以獲得很深的結深;
　　
　?、垭x子注入的生產(chǎn)效率比擴散工藝低;
　　
　?、茈x子注入設備系統(tǒng)復雜，操作需仔細且價格昂貴;
　　
　　⑤高溫會造成雜質(zhì)再分布，增加結深以及橫向摻雜效應;
　　
　　4，討論
　　
　　離子注入首先是作為一種半導體材料的摻雜技術發(fā)展起來的。低溫摻雜、的劑量控制、掩蔽容易、均勻性好這些優(yōu)點，對于大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路來說，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，離子束的直進性保證注入的離子幾乎是垂直地向內(nèi)摻雜，橫向擴散極其微小，這樣就有可能使電路的線條更加纖細，線條間距進一步縮短，從而大大提高集成度。它所取得的成功是其*性的例證。
　　
　　但是只能實現(xiàn)淺結深慘雜的PN結和退火時產(chǎn)生的大量晶格缺陷正是晶閘管所不能接受的。晶閘管承受高壓時空間電荷層的擴展需要一定的結深，離子注入技術遠遠達不到這個結深要求。再加上生產(chǎn)效率比擴散工藝低、離子注入設備價格昂貴操作復雜、成本自然上升。設想即使可用，晶閘管企業(yè)也不會有多大的興趣。然而，因為沒有實踐，不知道離子注入技術本身的優(yōu)點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在晶閘管制造中無用。如果從理論上證明能大幅度提高晶閘管的技術性能，那不妨實踐一下，至于其缺點可采取其它有效措施給予彌補。所以目前需做的事是進一步的論證和開展適量的工藝試驗。