離子注入技術能否用于晶閘管

　　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。離子注入技術有很多傳統工藝所不具備的優點，比如：是加工溫度低，易做淺結，大面積注入雜質仍能保證均勻，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的發展，從而使集成電路的生產進入了大規模及超大規模時代(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生碰撞，其方向改變，能量減少，經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。雜質在硅片中移動會產生一條晶格受損路徑，損傷情況取決于雜質離子的輕重，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為非晶體結構。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小化雜質擴散的優點。
　　
　　離子射程就是離子進入硅片后，從表面到停止所經過的路程。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、液態金屬離子源(LMIS)。
　　
　　②質量分析器：
　　
　　不同離子具有不同的電荷質量比，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離子，且離子束很純。
　　
　　③加速器：
　　
　　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。
　　
　　④中性束偏移器：
　　
　　利用偏移電極和偏移角度分離中性原子。
　　
　　⑤聚焦系統：
　　
　　用來將加速后的離子聚集成直徑為數毫米的離子束。
　　
　　⑥偏轉掃描系統：
　　
　　用來實現離子束x、y方向的一定面積內進行掃描。
　　
　　⑦工作室：
　　
　　放置硅片的地方，其位置可調。
　　
　　3，離子注入技術的優缺點
　　
　　優點：
　　
　　①可控性好。原則上各種元素均可成為摻雜元素，并可以達到常規方法所無法達到的摻雜濃度。對于那些常規方法不能摻雜的元素,離子注入技術也并不難實現。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;
　　
　　②純凈摻雜。離子注入是在真空系統中進行的,同時使用高分辨率的質量分析
　　
　　器,保證摻雜離子具有*的純度;
　　
　　③注入離子時襯底溫度可自由選擇。根據需要既可以在高溫下摻雜，也可以在
　　
　　室溫或低溫條件下摻雜。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;
　　
　　⑤工藝靈活，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，因而易于實現自動控制，同時也易于實現無掩模的聚焦離子束技術;
　　
　　缺點：
　　
　　①離子注入將在硅片中產生大量晶格缺陷;
　　
　　②離子注入難以獲得很深的結深;
　　
　　③離子注入的生產效率比擴散工藝低;
　　
　　④離子注入設備系統復雜，操作需仔細且價格昂貴;
　　
　　⑤高溫會造成雜質再分布，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展起來的。低溫摻雜、的劑量控制、掩蔽容易、均勻性好這些優點，對于大規模、超大規模集成電路來說，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。
　　
　　但是只能實現淺結深慘雜的PN結和退火時產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點能否使晶閘管性能得到明顯的提高，現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。