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(yīng)用。

什么是離子注入？

離子注入是將高能離子注入半導(dǎo)體襯底的晶格中來(lái)改變襯底材料的電學(xué)性能的摻雜工藝。通過(guò)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(tǒng)的擴(kuò)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(yōu)勢(shì)：

精確的控制摻雜濃度和深度

雜質(zhì)濃度均勻性、重復(fù)性好

注入溫度低

橫向擴(kuò)散小

缺點(diǎn)：

高能離子轟擊產(chǎn)生晶格損傷

注入設(shè)備昂貴

圖 離子注入機(jī)的內(nèi)部構(gòu)造 硅是最常用的作為離子注入的半導(dǎo)體襯底，對(duì)于實(shí)際的工程應(yīng)用，其電阻率與摻雜濃度的關(guān)系是最基本的需求。本文不詳述離子注入的物理原理和過(guò)程，主要是通過(guò)離子注入硅在MEMS器件中的應(yīng)用，來(lái)介紹離子注入這一單步工藝的實(shí)現(xiàn)、功能和效果。

MEMS器件中的應(yīng)用：硅電阻

在MEMS設(shè)計(jì)和制造過(guò)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(dǎo)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(yōu)勢(shì)是可以通過(guò)調(diào)節(jié)注入濃度來(lái)獲得需要的電阻率，以滿足實(shí)際的應(yīng)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(yīng)用：硅壓阻

硅具有壓阻效應(yīng)，即硅電阻隨著作用于器件的機(jī)械應(yīng)力變化而變化，因此壓阻可作為力學(xué)和電學(xué)性能的換能器使用。對(duì)于硅，壓阻系數(shù)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(yīng)用中，如壓阻加速度計(jì)和壓阻壓力傳感器，通常采用100~1000Ω/□的方阻去設(shè)計(jì)壓阻總電阻。然而，在壓阻傳感器中，另一個(gè)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(shí)際的器件設(shè)計(jì)中，應(yīng)考慮其實(shí)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(shù)和摻雜濃度的變化曲線

MEMS器件中的應(yīng)用：襯底制備

注入技術(shù)用在MEMS襯底制備上已經(jīng)成功商業(yè)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(nèi)。注入后的硅片在1300°C下退火消除離子注入產(chǎn)生的晶體損傷并且形成絕緣的氧化埋層。這樣構(gòu)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(shù)的懸空MEMS結(jié)構(gòu)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(shù)能夠制備亞微米厚度的高質(zhì)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(shù)可選等優(yōu)點(diǎn)。法國(guó)SOITEC公司基于CIS技術(shù)并結(jié)合晶圓鍵合技術(shù)開(kāi)發(fā)出了鍵合剝離（Smart-Cut）技術(shù)用于制備絕緣體上硅（SOI）晶圓。同樣的技術(shù)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