熱擴散與離子佈植的差異:摻雜方法比較

兩者都是將雜質(摻雜物)原子導入矽中,以控制電氣特性的方法。熱擴散是在高溫下,讓摻雜物從原料擴散進去。離子佈植則是將摻雜物的離子加速,打入晶圓。佈植對於要放入多少量、放在哪裡,能控制得精確許多,因此在現代大部分IC的摻雜中取代了擴散。不過,需要退火(熱處理)來修復晶體。

項目熱擴散離子佈植
原理在高溫的矽(約900〜1,100 ℃)中,摻雜物依濃度梯度,從氣體、固體或膜的原料擴散進去以電場將摻雜物的離子加速(keV〜MeV),打入晶圓
劑量控制困難。受表面濃度、溫度、時間影響精確。劑量可用離子電流量測
深度方向分布表面濃度最高,愈深愈低峰值位於表面之下,深度由離子的能量決定
方向性等向。也會橫向擴散到光罩下方大致具方向性。光阻光罩就足夠
溫度整個過程都是高溫佈植期間接近室溫。但之後需要高溫退火
晶體損傷少晶格會受損。以退火修復,並使摻雜物活化
淺接面微細尺寸下困難適合。可用低能量將摻雜物放在靠近表面處
設備成本便宜。簡單的爐管高。離子佈植機龐大且昂貴
主要用途深井的驅入、太陽能電池的射極、舊製程源極、汲極、井、臨界電壓調整。現代幾乎所有IC

數值為具代表性的大致參考值,會因世代或產品而異。

適用於什麼情況

熱擴散
接面較深、結構簡單,且成本很重要時。例如部分太陽能電池或功率元件等。
離子佈植
需要精確決定劑量、深度與位置時。邏輯或記憶體的電晶體採用這種方式。
組合
以佈植放入摻雜物,之後的高溫步驟會修復晶體、使摻雜物活化,並藉由擴散讓摻雜物再往深處前進一些。

常見問題

為什麼離子佈植取代了擴散?

因為佈植能精確控制劑量與深度,在接近室溫的溫度下,以簡單的光阻光罩即可進行,且能將摻雜物放入非常淺的層。

離子佈植之後為什麼需要退火?

因為佈植會損傷晶格,必須以退火修復損傷,並讓摻雜物移到晶格位置,具有電氣活性。

什麼是通道效應?

佈植的離子沿著晶體的空隙前進,到達比預期深得多的位置的現象。可藉由將晶圓傾斜數度,或透過非晶質層佈植來減少。

熱擴散現在還在使用嗎?

有。用於成本重要的深接面或簡單結構(部分太陽能電池或功率元件等),以及佈植後讓摻雜物再往深處前進。

相關名詞的解說

離子佈植
將雜質離子化、加速後打入晶圓的技術。可精密控制佈植劑量與深度。
熱擴散
在高溫下使雜質原子擴散進半導體內以進行摻雜的方法。雜質會由高濃度處向低濃度處擴散。
暫態增強擴散(TED)
離子佈植後退火的初期,因佈植產生過量的間隙矽,使硼等的擴散暫時變快的現象。會妨礙淺接面的形成。

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