离子注入技术能否用于晶闸管

　　一、问题提出
　　
　　一次与同行谈论晶闸管的扩散工艺时，提起了“离子注入”，说北京制造碳化硅功率半导体器件的某公司zui近进了一台进口的离子注入机，耗资一千多万。为了充分利用这台设备，愿意和电力电子器件制造单位共同合作，开拓更宽的应用领域。做了一辈子晶闸管的我从来没有与离子注入技术有过接触，原因可能是在过去晶闸管的技术会议上和发表的晶闸管技术文章上基本没有离子注入技术应用的报道，于是无形中疏忽了这一技术，平时也没有进一步了解的想法。时代在进步、技术在发展，如今这一“新闻”倒引起了我的关注。因为过去用不上的技术，一旦进步、发展了就不但可能更好甚至有可能替代过去的习惯做法。晶闸管的PN结历来是用高温扩散技术制成的，如果用离子注入技术做出的PN结在结深、浓度、缺陷等指标上优于扩散法，而且温度低、时间短、操作简单、成本低，那么不妨可以一试，好在有现成的进口的离子注入机供合作。当然，要做大量的试验，摸索工艺条件，需要投入一定的人力、物力、财力和时间才能达到应用的目的。
　　
　　一次谈话引起了我对离子注入技术的兴趣，为此，找了几篇文章认真阅读，这才对此技术有了一点点了解。为了使大家都有所了解，概要作一介绍。
　　
　　二、离子注入技术简介
　　
　　离子注入技术提出于上世纪五十年代，刚提出时是应用在原子物理和核物理究领域。后来，随着工艺的成熟，在1970年左右，这种技术被引进半导体制造行业。离子注入技术有很多传统工艺所不具备的优点，比如：是加工温度低，易做浅结，大面积注入杂质仍能保证均匀，掺杂种类广泛，并且易于自动化。
　　
　　离子注入技术的应用，大大地推动了半导体器件和集成电路工业的发展，从而使集成电路的生产进入了大规模及超大规模时代(ULSI)。
　　
　　1，半导体离子注入惨杂原理
　　
　　离子注入是对半导体进行掺杂的一种方法。它是将杂质电离成离子并聚焦成离子束，在电场中加速而获得*的动能后，注入到硅中而实现掺杂。
　　
　　离子具体的注入过程是：离子注入到半导体(靶)后，入射离子与半导体的原子核和电子不断发生碰撞，其方向改变，能量减少，经过一段曲折路径的运动后，因动能耗尽而停止在某处。
　　
　　离子通过与硅原子的碰撞将能量传递给硅原子，使得硅原子成为新的入射粒子，新入射粒子又会与其它硅原子碰撞，形成连锁反应。杂质在硅片中移动会产生一条晶格受损路径，损伤情况取决于杂质离子的轻重，这使硅原子离开格点位置，形成缺陷，严重时导致衬底由晶体结构变为非晶体结构。缺陷的存在使半导体中载流子的迁移率下降，少子寿命缩短，从而影响器件的性能。此外，注入离子的很大部分并不正好处在晶格格点上，它们没有活性。为了消除缺陷并激活注入的离子，注入后的样品必须进行退火。
　　
　　在如今的半导体行业中，主要采用快速热退火(RTA)工艺。这种工艺的退火过程很快(例如小于1分钟),能够保证高温下,退火超越扩散，因此具有zui小化杂质扩散的优点。
　　
　　离子射程就是离子进入硅片后，从表面到停止所经过的路程。入射离子能量越高，射程就会越长。
　　
　　投影射程是离子注入硅片内部的深度。
　　
　　2，离子注入机
　　
　　离子注入机总体上分为七个主要的部分，分别是：
　　
　　①离子源：
　　
　　根据离子源的类型分类，可以将其分为两类：等离子体型气体离子源、液态金属离子源(LMIS)。
　　
　　②质量分析器：
　　
　　不同离子具有不同的电荷质量比，因而在分析器磁场中偏转的角度不同，由
　　
　　此可分离出所需的杂质离子，且离子束很纯。
　　
　　③加速器：
　　
　　为高压静电场，用来对离子束加速。该加速能量是决定离子注入深度的一个
　　
　　重要参量。
　　
　　④中性束偏移器：
　　
　　利用偏移电极和偏移角度分离中性原子。
　　
　　⑤聚焦系统：
　　
　　用来将加速后的离子聚集成直径为数毫米的离子束。
　　
　　⑥偏转扫描系统：
　　
　　用来实现离子束x、y方向的一定面积内进行扫描。
　　
　　⑦工作室：
　　
　　放置硅片的地方，其位置可调。
　　
　　3，离子注入技术的优缺点
　　
　　优点：
　　
　　①可控性好。原则上各种元素均可成为掺杂元素，并可以达到常规方法所无法达到的掺杂浓度。对于那些常规方法不能掺杂的元素,离子注入技术也并不难实现。能控制掺杂的浓度分布和掺杂深度，因而适于制作极低的浓度和很浅的结深;
　　
　　②纯净掺杂。离子注入是在真空系统中进行的,同时使用高分辨率的质量分析
　　
　　器,保证掺杂离子具有*的纯度;
　　
　　③注入离子时衬底温度可自由选择。根据需要既可以在高温下掺杂，也可以在
　　
　　室温或低温条件下掺杂。避免了高温过程带来的不利影响，如结的推移、热
　　
　　缺陷、硅片的变形等;
　　
　　④结面比较平坦;
　　
　　⑤工艺灵活，可以穿透表面薄膜注入到下面的衬底中，也可以采用多种材料作掩蔽膜，如二氧化硅、氮化硅、金属膜或光刻胶等;
　　
　　⑥均匀性和重复性好，可大面积均匀注入。离子注入系统中的束流扫描装置可
　　
　　以保证在很大的面积上具有很高的掺杂均匀性;
　　
　　⑦横向扩展小。离子注入的横向掺杂效应比扩散大大减少，有利于提高集成电
　　
　　路的集成度、提高器件和集成电路的工作频率;
　　
　　⑧可以用电的方法来控制离子束，因而易于实现自动控制，同时也易于实现无掩模的聚焦离子束技术;
　　
　　缺点：
　　
　　①离子注入将在硅片中产生大量晶格缺陷;
　　
　　②离子注入难以获得很深的结深;
　　
　　③离子注入的生产效率比扩散工艺低;
　　
　　④离子注入设备系统复杂，操作需仔细且价格昂贵;
　　
　　⑤高温会造成杂质再分布，增加结深以及横向掺杂效应;
　　
　　4，讨论
　　
　　离子注入首先是作为一种半导体材料的掺杂技术发展起来的。低温掺杂、的剂量控制、掩蔽容易、均匀性好这些优点，对于大规模、超大规模集成电路来说，是一种理想的掺杂工艺。如前所述，离子注入层是极薄的，同时，离子束的直进性保证注入的离子几乎是垂直地向内掺杂，横向扩散极其微小，这样就有可能使电路的线条更加纤细，线条间距进一步缩短，从而大大提高集成度。它所取得的成功是其优越性的例证。
　　
　　但是只能实现浅结深惨杂的PN结和退火时产生的大量晶格缺陷正是晶闸管所不能接受的。晶闸管承受高压时空间电荷层的扩展需要一定的结深，离子注入技术远远达不到这个结深要求。再加上生产效率比扩散工艺低、离子注入设备价格昂贵操作复杂、成本自然上升。设想即使可用，晶闸管企业也不会有多大的兴趣。然而，因为没有实践，不知道离子注入技术本身的优点能否使晶闸管性能得到明显的提高，现在绝不能断言离子注入技术在晶闸管制造中无用。如果从理论上证明能大幅度提高晶闸管的技术性能，那不妨实践一下，至于其缺点可采取其它有效措施给予弥补。所以目前需做的事是进一步的论证和开展适量的工艺试验。