Download - 28 半導體積體電路生產技術 摻雜技術—離子佈植(Ion … · 奈米通訊 NANO COMMUNICATION 20卷 No.4 29 半導體積體電路生產技術從摻雜技術—離子佈植(
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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。
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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。
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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。