雜質摻入技術

◆ 對半導體基板內 pn接面的形成而言，雜質摻入是必要的技術。

◆ 這裡的雜質並不是塵埃或污染，而是相對於四價的 Si中，摻入三價或五價的元素。

◆ 摻入矽基板的雜質，三價元素中使用的是硼 (B) 、五價元素則是砷 (As) 和磷 (P) 。將這些雜質摻入不具導電性的基板後，就可產生 pn接面。

◆ 摻入三價元素為 p型，摻入五價則為 n型。◆ 這些元素藉由熱擴散法或離子植入法摻入矽中，目前以離子植入法為主流。

雜質摻入技術◆ 熱擴散法是利用熱，讓雜質原子在矽中擴散。擴散是

指物質從高濃度往低濃度移動的現象。◆ 離子植入法是利用施加高電壓，使各離子化的元素產

生碰撞，進而產生物理性的取代。這時候，由於離子的經過，使矽結晶遭受破壞，所以之後必須經過退火處理進行修復。

◆ 現在雜質摻入技術的重心，已從傳統的熱擴散法，轉移到「離子植入法 +退火處理法」。後者不但具有較佳的控制性，且為低溫製程，此外又有可計算雜質原子摻入量的優點。

◆ 雜質摻入的目的，不只是可以形成 pn接面而已；其他如：雙極性及 CMOS 元件中，為了形成電晶體，也使用雜質摻入技術，形成 pn接面產生電阻 (擴散方面則稱為擴散電阻 )。

雜質摻入的目的pn 接面的形成 雙極性 LSI 隔離區域

埋入集極區域基極區域射極區域等

CMOS LSI 形成 well形成源極 / 汲極

電阻的形成 矽多晶矽

pn接面產生的電阻藉由雜質的控制來調控電阻

雜質濃度控制 通道摻雜 (場摻雜 )防止反轉層的形成提升雙極性電晶體的特性 (防止反轉層 ) 通道摻雜 ( 臨界電壓－控制 Vt)

提升導電性 摻入雜質於多晶矽中 ( 閘極、配線、電容器電極 )

分離層的形成 用於 SIMOX 深植入氧

晶圓分離 利用氫離子的注入使晶圓分離

吸氣 利用 Ar離子的注入修補晶圓背面的損傷

熱擴散與離子植入

◆ 從 1980 年代開始到現在，仍然常用熱擴散法進行雜質的摻入。

◆ 熱擴散是一種非常強調經驗、實際知識、直覺的技術，因此長久以來培育了許多熱擴散技術的專家。

◆ 對表面濃度和深度的控制，以及必須同時控制濃度的分佈，需要特殊的技術。例如 CMOS 晶圓的生產，雙極性的基極熱擴散等，都屬於不易控制製程的典型。

◆ 1980 年代中期，離子植入法才漸漸攻佔主位。◆ 離子植入法的優點在於其為低溫製程，且可操控植入量，

此外利用光阻作為光罩，可進行雜質摻入的選擇，以及在基板內任意深度摻入任意量的雜質。

◆ 離子植入裝置為高價位，又是離子物理工學的產物，對元件製造廠商的技術人員而言，並非可輕易完成的裝置。

熱擴散法和離子植入法的比較

熱 擴 散 法 離子植入法‧傳統的雜質摻入法。‧利用物理和化學的方式 (置換反應， 氧化還原反應 )。‧由熱 (溫度 ) 驅動的製程。‧材料來源為元素或化合物。‧基本上以批次方式處理。‧無法將摻入的雜質定量。‧以 SiO2 為光罩選擇摻入。‧擴散受結晶面方向的影響，基本上不 具方向性。‧雖然沒有通道效應，但存在結晶缺陷 的問題。‧裝置價廉，操作容易。‧由於批次方式處理，生產率較大。

‧新的雜質摻入法。‧利用物理方式 (加速離子植入，再結 晶，活化雜質 )。‧低溫製程。‧使用單一元素的離子。‧離子束的掃瞄。‧雜質摻入量由離子電流積分值進行定 量。‧以 SiO2 、光阻等選擇摻入。‧雜質的摻入具有很強的方向性，伴隨 遮蔽效應發生。‧產生通道效應 (隨結晶方向而定 )。‧高價裝置，操作需要專門的知識。‧為了以掃瞄的方式進行，生產率受到 圓大小的影響。

熱擴散法摻入雜質

◆ 擴散是由熱驅動的現象，所以無法達到離子植入的效果。但是使用既有的爐管進行批次式的處理，經濟價值較高，裝置也較低廉。

◆ 熱擴散法是將三價或五價的元素，藉由熱將雜質摻入矽中。

◆ 物質從高濃度的雜質往低濃度的基板開始移動，依據濃度差、溫度、擴散係數來決定移動的方式。這就是擴散現象。

◆ 各元素在矽中的固體置換率和擴散係數，是決定熱擴散的重要物理性質參數。

熱擴散的雜質分佈

離子植入法摻入雜質 ◆ 離子植入是將離子經高能加速，碰撞矽基板進行植入，因此也稱為離子注入。

◆ 碰撞的離子，隨著入射能量 (加速電壓 )、離子種類、基板的狀態等不同，決定離子植入的深度，而離子經過的路徑也伴隨結晶缺陷的產生。

◆ 植入離子在矽的單一晶格內反覆碰撞直到停止。

離子植入法的原理

離子植入法的原理

(a)顯示為高斯分佈。 Nmax為最高的濃度。(b)通道效應是離子植入的特有現象。以直覺思考，離

子應該不會在晶格間隙內持續碰撞，而是直接穿過晶格。為了避免這個問題，故採取斜角植入，或將結晶軸稍微偏移的對策。

(c)顯示當離子植入後，依不同的退火處理可以改變濃度的分佈。以硼來說，植入後進行 700℃、 10分鐘的退火處理，可達到圖中的平坦分佈。

(d)當退火處理的溫度降低，劑量增加時，植入離子的活化率降低，也就是無法達到百分之百轉變為載子。而且，載子的移動性也很差。

離子植入法的設備

◆ 隨著離子植入製程的廣泛使用，其裝置也相形重要。針對不同的應用目的，必須選用適合劑量、加速電壓(植入能量 )的離子植入裝置。目前離子植入裝置，區分為四種形式：中電流離子植入機、高電流離子植入機、高能量離子植入機、低能量離子植入機。

◆ 絕緣層的產生，也就是氧的植入等，需要使用高能量離子植入機。此外，源極 / 汲極的形成，適合於低能量、足夠電流的裝置，因此使用高電流離子植入機即可。

◆ 低能量離子植入機則可配合 pn 接面淺化的趨勢。 ◆ 高能量離子植入機適合使用 MeV 級的加速能量。

離子植入的應用範圍 (劑量和植入能量 )

今後的展望

◆ 今後的最大課題在於淺接面的形成。特別是隨著元件的微細化，源極 / 汲極接面越來越淺，可能從 0.1μm 縮小到只有 30~40nm。要形成這麼淺的接面，則必須以的超低能量植入。這也是在挑戰離植入裝置的極限。

◆ 不用離子植入進行雜質摻入，又發展出一項技術，稱為電漿摻雜或是離子摻雜。

◆ 電漿摻雜裝置，可將高密度電漿中活化的三價、五價原子堆積於基板上，同時以低能量達到淺植入效果的方法。

離子植入－淺接面形成技術的未來