什么是離子注入？離子注入的應用介紹

本文介紹了離子注入在硅電阻、硅壓阻和MEMS襯底制備上的應用。

什么是離子注入？

離子注入是將高能離子注入半導體襯底的晶格中來改變襯底材料的電學性能的摻雜工藝。通過注入能量、角度和劑量即可控制摻雜濃度和深度，相較于傳統的擴散工藝更為精確。（注：離子注入是摻雜的一種形式，本文提到的摻雜均指離子注入）

優勢：

精確的控制摻雜濃度和深度

雜質濃度均勻性、重復性好

注入溫度低

橫向擴散小

缺點：

高能離子轟擊產生晶格損傷

注入設備昂貴

圖 離子注入機的內部構造 硅是最常用的作為離子注入的半導體襯底，對于實際的工程應用，其電阻率與摻雜濃度的關系是最基本的需求。本文不詳述離子注入的物理原理和過程，主要是通過離子注入硅在MEMS器件中的應用，來介紹離子注入這一單步工藝的實現、功能和效果。

MEMS器件中的應用：硅電阻

在MEMS設計和制造過程中，離子注入硅襯底或多晶硅，最基本的功能是形成電阻。這里的電阻在芯片上可作為導線和加熱器使用。采用硅材料作為電阻，相比于金屬電阻，最大的優勢是可以通過調節注入濃度來獲得需要的電阻率，以滿足實際的應用需求。

圖 摻雜硅的摻雜濃度與電阻率的變化曲線

MEMS器件中的應用：硅壓阻

硅具有壓阻效應，即硅電阻隨著作用于器件的機械應力變化而變化，因此壓阻可作為力學和電學性能的換能器使用。對于硅，壓阻系數隨著摻雜濃度升高而降低，為了提高輸出的靈敏度，一般采用低的摻雜濃度提高電阻?？梢钥吹?，在壓阻傳感器的應用中，如壓阻加速度計和壓阻壓力傳感器，通常采用100~1000Ω/□的方阻去設計壓阻總電阻。然而，在壓阻傳感器中，另一個影響因素是硅壓阻受溫度影響，即壓阻存在溫度漂移（TCR的影響），越低摻雜，影響越大，因此在實際的器件設計中，應考慮其實際使用溫度，綜合考慮選定的硅壓阻摻雜濃度。

圖 硅壓阻系數和摻雜濃度的變化曲線

MEMS器件中的應用：襯底制備

注入技術用在MEMS襯底制備上已經成功商業化，包括SOI襯底，POI襯底和GOI襯底等。

SIMOX(Separation by IMplantation of OXygen)工藝中劑量非常高（>1.8X10cm-2）的氧以高能量（200keV或更高）注入單晶硅硅片內。注入后的硅片在1300°C下退火消除離子注入產生的晶體損傷并且形成絕緣的氧化埋層。這樣構成了硅片絕緣體上的單晶頂硅層，這種材料可以用于自停止技術的懸空MEMS結構或者制作晶體管能很好隔離襯底的漏電。

圖 SOI襯底4種制備工藝示意圖

離子注入剝離（CIS）技術能夠制備亞微米厚度的高質量單晶薄膜材料，具有制備工藝可控、離子注入能量、注入劑量、退火溫度等工藝參數可選等優點。法國SOITEC公司基于CIS技術并結合晶圓鍵合技術開發出了鍵合剝離（Smart-Cut）技術用于制備絕緣體上硅（SOI）晶圓。同樣的技術也被用在了絕緣體上壓電單晶（POI）和絕緣體上鍺單晶（GOI）

圖 POI襯底制備工藝示意圖

審核編輯：黃飛