离子注入技术应用及发展趋势

离子注入技术应用及发展趋势 作者：天神 2007-08-08 18:47:37 标签：知识/探索 摘要本文首先介绍离子注入技术，接着说明其在金属材料工业和半导体工业中的应用。最后预测离子注入技术今后的发展趋势。并得出最终结论。关键字离子注入技术 应用 发展趋势正文随着VLSI器件的发展，到了70年代，器件尺寸不断减小，结深降到1um以下，扩散技术有些力不从心。在这种情况下，离子注入技术比较好的发挥其优势。目前，结深小于1um的平面工艺，基本都采用离子注入技术完成掺杂。离子注入技术已经成为VLSI生产中不可缺少的掺杂工艺。1离子注入技术1.1离子注入技术的步骤离子注入掺杂分为两个步骤：离子注入和退火再分布。离子注入是通过高能离子束轰击硅片表面，在掺杂窗口处，杂质离子被注入硅本体，在其他部位，杂质离子被硅表面的保护层屏蔽，完成选择掺杂的过程。进入硅中的杂质离子在一定的位置形成一定的分布。通常，离子注入的深度(平均射程)较浅且浓度较大，必须重新使它们再分布。掺杂深度由注入杂质离子的能量和质量决定，掺杂浓度由注入杂质离子的数目(剂量)决定。同时，由于高能粒子的撞击，导致硅结构的晶格发生损伤。为恢复晶格损伤，在离子注入后要进行退火处理，退火有两种方式：根据注入的杂质数量不同，退火温度在450950之间，掺杂浓度大则退火温度高，反之则低。在退火的同时，掺入的杂质同时向硅体内进行再分布，如果需要，还要进行后续的高温处理以获得所需的结深和分布。但是这些高温工艺会引起杂质的再一次扩散，从而改变原有的杂质分布，在一定程度上破坏离子注入的理想分布，高温过程也可使过饱和的注入杂质失活。瞬态高温退火是正在研究和推广的退火方式，能满足超大规模集成电路对高浓度、浅PN结和很少侧向扩散的要求。这种方式包括激光、电子束或红外辐照等瞬态退火。这种方法虽属高温，但在极短时间内(小于几秒)加热晶体，既能使晶体恢复完整性，又可避免发生明显的杂质扩散。1.2离子注入具有如下的特点可以在较低温度下（400）进行，避免高温处理。通过控制注入时的电学条件（电流、电压）可以精确控制浓度和结深，更好的实现对杂质分布形状的控制。而且杂质浓度不受材料固溶度的限制。可选出一种元素进行注入，避免混入其他杂质。可以在较大面积上形成薄而均匀的掺杂层。同一晶片上杂质不均匀性优于1，且横向掺杂比扩散小的多。控制离子束的扫描区域，可实现选择注入并进而发展为一种无掩模掺杂技术。2 离子注入技术在工业中的应用基于上述特点，离子注入技术已应用在工业生产中的许多领域。其中金属材料工业和半导体工业相对应用较多。21 离子注入应用于金属材料工业l 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。目前已应用于航空液压泵配流付、内燃机精密偶件、汽车发动机部件、硬质合金刀具以及大尺寸的精密耐磨部件等。l 延长模具的使用寿命离子注入作为一种新的表面强化处理工艺，已经在不同材质的模具上得到了应用，并取得了许多成果。对同一种材料的模具，由于其工作条件不同，出现了许许多多的失效形式。而离子注入工艺的优点又恰恰可以弥补这些缺陷。只要设计者根据不同的失效形式，利用不同的离子注入设备有选择性的给模具注入不同的元素。这样就可以方便的达到延长模具使用寿命的目的。22 离子注入应用于半导体工业随着离子注入设备的发展，离子注入技术在集成电路中发展最快。由于离子注入技术具有很好可控性和重复性，这样设计者就可根据电路或器件参数的要求，设计出理想的杂质分布，并用离子注入技术实现这种分布。现代的半导体制造工艺中制造一个完整的半导体器件一般要用到许多步（1525步）的离子注入。离子注入的最主要工艺参数是杂质种类,注入能量和掺杂剂量。杂质种类一般可以分为N型和P型两类。注入能量决定了杂质原子注入硅晶体的深度,高能量注入得深,而低能量注入得浅。掺杂剂量是指杂质原子注入的浓度,其决定了掺杂层导电的强弱。离子注入技术在半导体器件制造中的具体应用如栅阀值调整（Threshold Adjust）,Halo 注入等;源极,漏极的形成和多晶硅栅极的掺杂。N/P井的形成,倒掺杂井（retrograde well）等。随着半导体工艺的进步,尤其当制造65nm以下的半导体器件时,超浅结的工艺成为关键。这里,离子注入工艺再次以其精确的注入深度和浓度的可控制性,稳定的可重复性显示了在高级半导体器件制造中的重要性。联合离子注入（Co-implantation）,即依次注入包括锗、碳、硼等多种原子,伴随着尖锐回火（Spike Anneal）对于P型漏极前延（PLDD）超浅结这一复杂工艺的苛刻要求取得了良好的结果。23离子注入应用于其他工业领域 除了上诉两个领域外，离子注入技术也广泛应用于陶瓷、玻璃、复合物、聚合物、矿物以及植物种子改良上。3离子注入技术的发展趋势随着半导体工业的进步, 使得离子注入技术面临两大主要挑战：（1）由于半导体器件的尺寸不断缩小,大大地增加了对低能量离子注入的需求。由于低能量的离子本身就难以萃取;加上低能量离子束行进速度慢,其由于空间电荷自排斥而产生的离子束扩散使得更多的萃取离子损失在路径中,如何形成低泄漏浅结成为一大挑战。（2）以低成本使用MeV（兆电子伏）注入替代外延，利用低能硼离子束注入技术获得高质量浅型结进行注入的分子动态研究。因此未来的离子注入技术必将会采用：3.1 大角度离子注入（100nm离子注入工艺）随着器件特征尺寸的不断缩小，工艺制造进入0.10-0.13m技术时代，此时短沟道效应的现象最为突出即。100nm器件工艺必须用到大角度离子注入工艺。这样做主要是防止漏源相通，降低延伸区的结深以及缩短沟道长度，使载流子分布更陡，提高芯片的性能。大角度离子注入可以保证良好的束平行性与束纯度、注入剂量均匀性与重复性，具有极好的应用空间，关键技术为：（1）离子光学系统技术；（2）长寿命离子技术；（3）平行束技术；3.2 低能大束流离子注入（65nm离子注入工艺）但器件大小接近65nm时，源漏区注入不但最小结深只有15nm，而且要求注入的掺杂浓度非常大，只有超低能大束流注入才能满足注入结深和注入剂量大要求。65nm的大束流低能离子注入在已有100nm大角度离子注入技术的基础上，还必须突破如下关键技术：（1）低能离子传输理论与技术；（2）离子束减速技术；（3）大片径高速全自动靶室技术；（4）注入时圆片电荷消除技术；（5）离子束扩束技术；（6）注入剂量自动补偿技术。3.3 机械扫描式单晶片离子注入（45nm及以下离子注入工艺）随着半导体技术从65nm到45nm工艺的微缩，离子掺杂后的超浅结深分别为15nm和9.5nm，为了进一步减小超浅结（USL）结深，按照传统方法必须减小离子注入能量，向超低能量离子注入方向发展。减少其能量污染效应，提高生产效率，但现有高电流低能离子注入机很难在低能量污染和高生产效率的前提下满足要求。经研究发现，采用较高分子量掺杂材料（例如B10H14或B18H22）代替B进行等效掺杂时，离子束电流和掺杂能量都会大大增加，同时它具有其他优点，例如减轻隧穿效应和同时对掺杂表面进行无定型化处理等，因此，用较高分子量掺杂材料进行等效离子掺杂是满足45nm及以下工艺要求的有效方法。结论 21世纪将是微电子行业高速发展的时代。作为半导体制造工艺中一种重要的掺杂技术离子注入技术。随着离子注入设备的发展，离子注入技术的优越性将更加突出。必将会有广泛的应用和巨大的突破。因此，我们现在应该利用国外成熟技术来提高我们的技术起点；把工艺与设备有机结合，突破那