科普講堂 1

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什麼是離子佈植與摻雜呢?

離子佈植是：離子佈植就是利用電場，將游離的原

子或分子加速後，直接射入靶材（晶圓）的過程。

摻雜：在晶圓（一般為四價的矽）中加入其他元

素，是謂摻雜， 其目的是要改變材料的導電特性。

緣起

「最基本、最簡單的半導體元件是什麼？」； 「答對

了！是二極體（diode）。」

「那什麼是二極體？」 ； 「對！就是一個 N型半導體

和一個 P型半導體接合再一起。」

「那 N型跟 P型半導體又是什麼？」；「N型是摻雜

五價元素的半導體， 載子為電子；P型是摻雜三價元素的

半導體，載子為電洞⋯⋯，所以摻雜就是半導體元件，

乃至於積體電路製造過程中，一個很基礎、很重要的步

驟。」⋯⋯

以上是半導體見習課程中，某一堂課的開場，今天

不上電子課，不談，P-N接面如何因為電子能隙不同，

而產生接面的整流特性等等 BaLa-BaLa-BaLa⋯，今天我

們要隨著摻雜的元素，運用我們中學學到的自然科學知

識，來一趟摻雜之旅， Let’s go！

旅程導覽

以下（圖 2 & 圖 3）我們就以三 A族硼（B）摻雜為

例， 從離子的產生開始， 到植入矽晶圓基板（substrate）

完成摻雜，共七個基礎站點，一站一站介紹整個過程，

半導體積體電路生產技術 從摻雜技術—離子佈植（Ion Implantation）談起蔣曉白

國家奈米元件實驗室/微影光罩組

圖 1 離子佈植及摻雜示意圖。

圖 2. 離子佈植旅程各站點示意圖。

奈米通訊NANO COMMUNICATION 20卷 No.4

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半導體積體電路生產技術從摻雜技術—離子佈植（ I o n Implantation）談起?

及他們所用到的原理。

站點①：離子的來源—化合物氣體

首先要游離的材料必須為氣態，所以先選定硼的氣

態化合物，我們選的是三氟化硼（BF3）這種化合物，

但因為 BF3 具有毒性，故選擇採用 SDS （Safe Delivery

Source）封裝技術的鋼瓶（圖 4）。

SDS 鋼瓶是由 ATMI公司的 Karl Olander 等人發明，

並於 1993年開始導入半導體產業， 鋼瓶內填充吸附材料

活性碳， 將氣體分子吸附， 而使鋼瓶內部壓力低於一個大

氣壓，如此能使具有毒性的氣體外洩發生的機會大為降

低，提高使用上的安全性。

站點②：離子源—氣體放電（離子的產生）

站點②是一個叫電弧室的地方（Arc Chamber，圖

5），BF3氣體會流入其中，再藉由內部設計的放電電路，

可生成具有電漿環境，裏面有高速衝撞的電子，及各種

帶正電荷的離子。

站點③：離子萃取（Extraction）—正負電相吸

離子萃取是利用正負電荷異性相吸的原理，將一

圖 3 離子佈植簡要等效電路圖。

圖 4 站點① SDS氣體鋼瓶。

圖 5 電弧室透視圖，是一個金屬方盒，前面有一小狹縫，內部有

放電用的熱燈絲。

圖 6 站點② 電弧室內，離子的產生機制。

科普講堂 1

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個相對於電弧室為負電位的萃取電極，安置於電弧室前

方，讓電弧室內帶正電的離子，通過前端的狹縫被吸引

出來，加速並通過萃取電極的狹縫後，型成一道離子束

（Ion Beam）往前奔馳（圖 7 & 圖 8）。

站點④：分析磁鐵（analyzer magnet）—弗萊明左手定

則

此區域是一個提供圓弧形通道的扇形電磁鐵，利用

等速的帶電粒子進入一個均勻磁場時，會受到與磁場及

電流方向皆垂直的外力（圖 9），形成圓周運動。讓粒子

作圓周運動的目的，就是利用不同重量（質荷比）的粒

子有不同迴轉半徑的這個特性，藉由調整磁場大小，將

所要參雜的粒子篩選出來（圖 10）。

站點⑤：第二段加╱減速—正負電相吸

原理及方式同站點③，製造一個平行離子運動方向

的電場，來增加或減少離子行進的速度。為什麼要減速

呢？由於半導體元件的尺寸微縮得越來越小，摻雜的深

度也越來越淺，而淺接面的摻雜需要較低的能量，但站

點③的萃取能量若太低，會拉不出離子束，故低能量的

離子佈植會採用減速模式，使離子數量不會因為總能量

的降低而減少，進而影響製程的時間。

站點⑥：掃描（Scan）—相對位置的移動

因為離子束的投影區域一般小於 20cm2，而一片 8

吋晶圓大小超過 300 cm2，故要完成整面均勻的摻雜需要

進行掃描，掃描的方式有電子式與機械式兩種，電子式

為晶圓固定而離子束來回移動，讓離子束移動的方式就

類似映像管電視，用平面電極板，以電場的震盪讓離子

束隨著電場來回移動（圖 11）；而機械式則是離子束固

定，利用機械裝置讓晶圓來回移動，通常有單晶圓機械

頭來回移動（圖 12）或多晶圓轉盤旋轉式移動（圖 13）

兩種方式。

站點⑦：完成摻雜—碰撞

旅程終點站到了，過程可參閱圖 1，這一站就是讓

這些被加速並篩選過的離子，直接撞進晶圓內部完成整

個離子佈植的流程，旅程到此告一段落。

後記

圖 7 以萃取電極加速離子，使其形成離子束的示意圖。

圖 8 萃取電極分解圖，為一

組中間有狹縫的導電板所組

成， 使用材料通常為石墨，此

較為複雜的結構，包含了避

免電子反向加速的電路設計。

圖 9 俗稱電動機原理的弗萊

明左手定則。

圖 10 調整磁場大小，將讓硼離子的路徑剛好可以通過後方的篩

選狹縫。

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半導體積體電路生產技術從摻雜技術—離子佈植（ I o n Implantation）談起?

離子佈植的製程到這邊還不完整，請看圖 1 的右

圖，佈植完成後，晶圓表面的晶格位置會被打亂，產生

許多的缺陷，於是離子佈植完成後，就需要經過一道退

火（Anneal）的步驟，來修復晶格的缺陷，到此整個摻

雜的流程才算完整。另外，離子佈植機可以藉由對離子

加速的能量（電壓） ，來控制粒子摻雜的深度（z軸分

布），也可以藉由離子束電流大小對時間的積分，來精確

計算出摻雜的濃度，更可以利用晶圓表面光罩（Mask）

的製作，來限定所要摻雜的位置（x-y方向分布 ,圖 14）

，不要忘了它還能控制入射角，總而言之，離子佈植機

對於摻雜這個製程來說，是個非常給力（powerful）的

工具。

參考資料

[[1] http:// www.thin-film.de

[2] http:// www.tf.uni-kiel.de

[3] http://dic.academic.ru

[4] http://zh.wikipedia

[5] http://www.ziboyeya.com

[6] http:// www2.glemco.com

[7] http:// www.faircloth.info

[8] http://www.daido-electronics.co.jp

圖 11 電子式掃描示意圖。

圖 12 機械式掃描 (單片 )。

圖 13 機械式掃描 (多片 )。

圖 14 左圖是在離子佈植過程中，用光阻製作 Mask來遮擋不想被

摻雜的區域；由右圖可看出，去掉光阻後，只有光阻開口的區域

完成摻雜。