離子注入技術(shù)

離子注入是指當(dāng)真空中有一束離子束射向一塊固體材料時(shí)，離子束把固體材料的原子或分子撞出固體材料表面，這個(gè)現(xiàn)象叫做濺射;而當(dāng)離子束射到固體材料時(shí)，從固體材料表面彈了回來(lái)，或者穿出固體材料而去，這些現(xiàn)象叫做散射;另外有一種現(xiàn)象是，離子束射到固體材料以后，受到固體材料的抵抗而速度慢慢減低下來(lái)，并最終停留在固體材料中的這一現(xiàn)象叫作離子注入。

離子注入技術(shù)又是近30年來(lái)在國(guó)際上蓬勃發(fā)展和廣泛應(yīng)用的一種材料表面改性技術(shù)。其基本原理是：用能量為100keV量級(jí)的離子束入射到材料中去，離子束與材料中的原子或分子將發(fā)生一系列物理的和化學(xué)的相互作用，入射離子逐漸損失能量，最后停留在材料中，并引起材料表面成分、結(jié)構(gòu)和性能發(fā)生變化，從而優(yōu)化材料表面性能，或獲得某些新的優(yōu)異性能。此項(xiàng)技術(shù)由于其獨(dú)特而突出的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在半導(dǎo)體材料摻雜，金屬、陶瓷、高分子聚合物等的表面改性上獲得了極為廣泛的應(yīng)用，取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

在電子工業(yè)中，離子注入成為了微電子工藝中的一種重要的摻雜技術(shù)，也是控制MOSFET閾值電壓的一個(gè)重要手段。因此在當(dāng)代制造大規(guī)模集成電路中，可以說(shuō)是一種必不可少的手段。離子注入的方法就是在真空中、低溫下，把雜質(zhì)離子加速(對(duì)Si，電壓≥105 V)，獲得很大動(dòng)能的雜質(zhì)離子即可以直接進(jìn)入半導(dǎo)體中;同時(shí)也會(huì)在半導(dǎo)體中產(chǎn)生一些晶格缺陷，因此在離子注入后需用低溫進(jìn)行退火或激光退火來(lái)消除這些缺陷。離子注入的雜質(zhì)濃度分布一般呈現(xiàn)為高斯分布，并且濃度最高處不是在表面，而是在表面以?xún)?nèi)的一定深度處。離子注入的優(yōu)點(diǎn)是能精確控制雜質(zhì)的總劑量、深度分布和面均勻性，而且是低溫工藝(可防止原來(lái)雜質(zhì)的再擴(kuò)散等)，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)自對(duì)準(zhǔn)技術(shù)(以減小電容效應(yīng))。在工藝流程中，光刻的下一道工序就是刻蝕或離子注入。在做離子注入時(shí)，有光刻膠保護(hù)的地方，離子束無(wú)法穿透光刻膠;在沒(méi)有光刻膠的地方離子束才能被注入到襯底中實(shí)現(xiàn)摻雜。因此，用于離子注入工藝的光刻膠必須要能有效地阻擋離子束。集成電路前道制程中有許多光刻層之后的工藝是離子注入(ion implantation)，這些光刻層被稱(chēng)為離子注入光刻層(implant layers)。離子注入完成后，晶圓表面的光刻膠必須被清除掉，清除離子注入后的光刻膠是光刻工藝中的一個(gè)難點(diǎn)。對(duì)清除工藝的要求包括：(1)干凈徹底地去除襯底上的光刻膠;(2)盡量避免襯底損傷表面，特別是離子注入?yún)^(qū)域(即沒(méi)有光刻膠的區(qū)域);(3)盡量避免對(duì)器件(如柵極的金屬)造成傷害。

高能離子注入的優(yōu)勢(shì)多樣性：原則上任何元素都可以作為注入離子;形成的結(jié)構(gòu)可不受熱力學(xué)參數(shù)(擴(kuò)散、溶解度等)限制;不改變：不改變工件的原有尺寸和粗糙度等;適合于各類(lèi)精密零件生產(chǎn)的最后一道工序;牢固性：注入離子直接和材料表面原子或分子結(jié)合，形成改性層，改性層和基底材料沒(méi)有清晰的界面，結(jié)合牢靠，不存在脫落的現(xiàn)象;不受限：注入過(guò)程在材料溫度低于零下、高到幾百上千度都可以進(jìn)行;可對(duì)那些普通方法不能處理的材料進(jìn)行表面強(qiáng)化，如塑料、回火溫度低的鋼材等。

非半導(dǎo)體材料離子注入表面改性研究對(duì)離子注入機(jī)提出了一些新的要求。半導(dǎo)體材料的離子注入所需的劑量(即單位面積上打進(jìn)去了多少離子，單位是：離子/平方厘米)比較低，而所要求的純度很高。非半導(dǎo)體材料離子注入表面改性研究所需的劑量很高(比半導(dǎo)體材料離子注入高1000倍以上)，而純度不要求像半導(dǎo)體那么高。在非半導(dǎo)體材料離子注入表面改性研究的初始階段，主要是沿用半導(dǎo)體離子注入機(jī)所產(chǎn)生的氮離子束來(lái)進(jìn)行。這主要是因?yàn)榈葰怏w離子在適用于半導(dǎo)體離子注入的設(shè)備上容易獲得比較高的離子束流。氮離子注入在金屬、硬質(zhì)合金、陶瓷和高分子聚合物等的表面改性的研究與應(yīng)用中取得了引人注目的成功。因此這個(gè)階段被稱(chēng)為氮離子注入階段。金屬離子注入是新一代的材料表面處理高技術(shù)。它利用具有很高能量的某種金屬元素的離子束打入固體材料所引起的一系列物理的與化學(xué)的變化，來(lái)改善固體材料的某些表面性能。研究結(jié)果表明，金屬離子注入在非半導(dǎo)體材料離子注入表面改性研究與應(yīng)用中效果更加顯著，應(yīng)用范圍更加廣泛，許多氮離子注入無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，金屬離子注入可以很好地實(shí)現(xiàn)。但是，基于半導(dǎo)體離子注入需要的傳統(tǒng)離子注入機(jī)，要想獲得比較強(qiáng)束流的金屬離子束是比較困難的，進(jìn)行非半導(dǎo)體材料離子注入表面改性所需的費(fèi)用也是比較昂貴的。