什么是离子注入？离子注入的应用介绍

本文介绍了离子注入在硅电阻、硅压阻和MEMS衬底制备上的应用。

什么是离子注入？

离子注入是将高能离子注入半导体衬底的晶格中来改变衬底材料的电学性能的掺杂工艺。通过注入能量、角度和剂量即可控制掺杂浓度和深度，相较于传统的扩散工艺更为精确。（注：离子注入是掺杂的一种形式，本文提到的掺杂均指离子注入）

优势：

精确的控制掺杂浓度和深度

杂质浓度均匀性、重复性好

注入温度低

横向扩散小

缺点：

高能离子轰击产生晶格损伤

注入设备昂贵

图 离子注入机的内部构造 硅是最常用的作为离子注入的半导体衬底，对于实际的工程应用，其电阻率与掺杂浓度的关系是最基本的需求。本文不详述离子注入的物理原理和过程，主要是通过离子注入硅在MEMS器件中的应用，来介绍离子注入这一单步工艺的实现、功能和效果。

MEMS器件中的应用：硅电阻

在MEMS设计和制造过程中，离子注入硅衬底或多晶硅，最基本的功能是形成电阻。这里的电阻在芯片上可作为导线和加热器使用。采用硅材料作为电阻，相比于金属电阻，最大的优势是可以通过调节注入浓度来获得需要的电阻率，以满足实际的应用需求。

图 掺杂硅的掺杂浓度与电阻率的变化曲线

MEMS器件中的应用：硅压阻

硅具有压阻效应，即硅电阻随着作用于器件的机械应力变化而变化，因此压阻可作为力学和电学性能的换能器使用。对于硅，压阻系数随着掺杂浓度升高而降低，为了提高输出的灵敏度，一般采用低的掺杂浓度提高电阻。可以看到，在压阻传感器的应用中，如压阻加速度计和压阻压力传感器，通常采用100~1000Ω/□的方阻去设计压阻总电阻。然而，在压阻传感器中，另一个影响因素是硅压阻受温度影响，即压阻存在温度漂移（TCR的影响），越低掺杂，影响越大，因此在实际的器件设计中，应考虑其实际使用温度，综合考虑选定的硅压阻掺杂浓度。

图 硅压阻系数和掺杂浓度的变化曲线

MEMS器件中的应用：衬底制备

注入技术用在MEMS衬底制备上已经成功商业化，包括SOI衬底，POI衬底和GOI衬底等。

SIMOX(Separation by IMplantation of OXygen)工艺中剂量非常高（>1.8X10cm-2）的氧以高能量（200keV或更高）注入单晶硅硅片内。注入后的硅片在1300°C下退火消除离子注入产生的晶体损伤并且形成绝缘的氧化埋层。这样构成了硅片绝缘体上的单晶顶硅层，这种材料可以用于自停止技术的悬空MEMS结构或者制作晶体管能很好隔离衬底的漏电。

图 SOI衬底4种制备工艺示意图

离子注入剥离（CIS）技术能够制备亚微米厚度的高质量单晶薄膜材料，具有制备工艺可控、离子注入能量、注入剂量、退火温度等工艺参数可选等优点。法国SOITEC公司基于CIS技术并结合晶圆键合技术开发出了键合剥离（Smart-Cut）技术用于制备绝缘体上硅（SOI）晶圆。同样的技术也被用在了绝缘体上压电单晶（POI）和绝缘体上锗单晶（GOI）

图 POI衬底制备工艺示意图

审核编辑：黄飞