雜質摻入技術

1. 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。

2. 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)。

3. 雜質摻入的目的

4. 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。

5. 熱擴散法和離子植入法的比較

6. 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。

7. 熱擴散的雜質分佈

8. 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。

9. 離子植入法的原理

10. 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。

11. 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。

12. 離子植入的應用範圍(劑量和植入能量)

13. 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。

14. 離子植入－淺接面形成技術的未來