06
IC FABRICATION FLOWIon Implantation
STEP 06 OF 09 — DOPING
Ion
Implantation
การ Doping ด้วย Ion Beam ความแม่นยำระดับ Angstrom — ควบคุม carrier concentration ของทุก transistor ใน chip
01 Ion Implantation คืออะไร
Ion Implantation คือการยิง dopant ions (Boron, Phosphorus, Arsenic ฯลฯ) ที่มีพลังงานสูงเข้าไปใน silicon wafer เพื่อเพิ่ม carrier concentration ในบริเวณที่ต้องการ เป็นวิธีหลักในการ dope semiconductor ใน modern CMOS
ตารางเปรียบเทียบเชิงฟิสิกส์: Thermal Diffusion vs. Ion Implantation
| พารามิเตอร์เปรียบเทียบ | กระบวนการแพร่สารเคมีด้วยความร้อน (Thermal Diffusion) | กระบวนการฝังไอออนความเร็วสูง (Ion Implantation) |
|---|---|---|
| อุณหภูมิการทำงาน | อุณหภูมิสูงมาก ($900\text{--}1200\ ^\circ\text{C}$) เพื่อขับเคลื่อนการแพร่ | อุณหภูมิห้อง (Room Temperature) ต่ำกว่า $100\ ^\circ\text{C}$ |
| ทิศทางการกระจายสาร | กระจายตัวทุกทิศทาง (Isotropic) ทำให้เกิดการแผ่ทางข้าง (Lateral Diffusion) ใต้เกตทรานซิสเตอร์ | พุ่งชนตรงขนานตามมุมเร่ง (Anisotropic) มีทิศทางที่ชัดเจนและแผ่ทางข้างต่ำมาก |
| โปรไฟล์ความเข้มข้น | ความเข้มข้นสูงสุดอยู่เสมอที่ผิวสัมผัสภายนอก (Decays exponentially from surface) | คุมโปรไฟล์เป็นรูปเกาส์เซียน (Gaussian Profile) ให้ความเข้มข้นสูงสุดอยู่ลึกใต้ผิวตามพลังงานเร่งได้ |
| ความเสียหายต่อผลึก | ไม่มีความเสียหายรุนแรงต่อผลึกเนื่องจากอุณหภูมิสูงช่วยเยียวยาโครงสร้างผลึกตลอดเวลา | เกิดความเสียหายต่อโครงสร้างผลึกอย่างรุนแรง (Crystal Damage) จนกลายเป็น Amorphous Silicon |
| การควบคุม Dose & Depth | ต่ำ ควบคุมค่ายากและพึ่งพิงขีดจำกัดความสามารถในการละลายตัวสารในอุณหภูมินั้นๆ (Solid Solubility Limit) | สูงมาก ควบคุมได้แม่นยำต่ำกว่า 1% ผ่านการนับวัดกระแสไอออนด้วย Faraday Cup |
ทำไม Ion Implant ดีกว่า Diffusion?
ควบคุม dose และ depth ได้แม่นยำมาก, ทำที่อุณหภูมิห้องได้, ไม่มี lateral diffusion
มาก เหมาะกับ shallow junction ที่ node เล็ก (<10nm)
📍 CAREER ROADMAP CONTEXT
STAGE 04 — ETCH & ION IMPLANTATION: Dry/Wet Etch & Doping
Plasma etch (RIE/DRIE) — selectivity, etch rate, endpoint detection; wet etch (HF, BOE, KOH, TMAH); ion implantation — species, dose, energy; RTA/laser anneal; SIMS verification
Equipment: Lam Research etch tool, Applied Materials implanter, RTA furnace
Path: Process / Fab Engineer, Power Semiconductor Engineer
Plasma etch (RIE/DRIE) — selectivity, etch rate, endpoint detection; wet etch (HF, BOE, KOH, TMAH); ion implantation — species, dose, energy; RTA/laser anneal; SIMS verification
Equipment: Lam Research etch tool, Applied Materials implanter, RTA furnace
Path: Process / Fab Engineer, Power Semiconductor Engineer
02 หลักการทำงานของ Ion Implanter
1
Ion Source
สร้าง ions จาก dopant gas: BF₃ (Boron), PH₃ (Phosphorus), AsH₃ (Arsenic)
2
Mass Analyzer (Magnet)
แม่เหล็กคัดเลือก ion ที่ต้องการตาม mass/charge ratio กรอง contaminant ออก
3
Accelerator Column
เพิ่มพลังงาน ion ถึงระดับที่ต้องการ (keV–MeV) กำหนด implant depth
4
Beam Scanner
Sweep beam ให้กระจายสม่ำเสมอทั่ว 300mm wafer ด้วย dose uniformity <0.5%
5
End Station + Faraday Cup
Wafer holder หมุน/เอียงได้ Faraday cup วัด beam current และคำนวณ dose
03 Projected Range (Rp)
เมื่อ ion เข้าไปใน silicon จะสูญเสียพลังงานจาก nuclear stopping และ electronic stopping จนหยุดที่ความลึก Projected Range (Rp)
GAUSSIAN IMPLANT PROFILE
N(x) = Npeak · exp(−(x−Rp)² / 2ΔRp²)
N_peak = dose / (√(2π)·ΔRp), ΔRp = straggle (ความกว้างของ distribution)
| Ion | Energy | Rp ใน Si | ใช้สร้าง |
|---|---|---|---|
| B (Boron) | 10 keV | ~30 nm | P-well, PMOS S/D |
| P (Phosphorus) | 30 keV | ~40 nm | N-well, NMOS S/D |
| As (Arsenic) | 50 keV | ~30 nm | NMOS S/D (shallow) |
| In (Indium) | 150 keV | ~50 nm | Halo implant, Vt adjust |
04 Implant Damage และ Amorphization
เมื่อ ions ชน silicon atoms จะเกิด crystal damage — silicon กลายเป็น amorphous ถ้า dose สูงพอ ต้องซ่อมด้วย annealing
End-of-Range (EOR) Damage
บริเวณที่ ion หยุดจะมี defect cluster สูง เรียก EOR damage ถ้า anneal ไม่พอจะทำให้
junction leakage สูงและ transistor performance ลดลง
05 Post-Implant Annealing & Activation
หลังการฝังไอออน แผ่นเวเฟอร์จะต้องผ่านขั้นตอนการอบความร้อน (Thermal Annealing) เพื่อบรรลุเป้าหมายทางฟิสิกส์กึ่งตัวนำ 2 ประการ:
- Dopant Activation (การเปิดใช้งานสารโดป): อะตอมสารโดปที่ถูกยิงเข้าไปในซิลิคอนจะยังไม่นำไฟฟ้าจนกว่าจะได้รับพลังงานความร้อนกระตุ้นให้เคลื่อนย้ายตัวเองเข้าไปแทนที่ตำแหน่งอะตอมซิลิคอนในโครงสร้างผลึกเดี่ยว (Substitutional Sites) จึงจะสามารถปลดปล่อยประจุไฟฟ้าอิสระ (Electron / Hole) ออกมาได้
- Crystal Damage Repair (การซ่อมแซมโครงสร้างผลึก): ไอออนความเร็วสูงจะชนทำลายโครงสร้างตาข่ายผลึกจนซิลิคอนกลายเป็นสถานะอสัณฐาน (Amorphous Silicon) การอบร้อนจะกระตุ้นกลไกการจัดเรียงตัวใหม่ของอะตอมจากชั้นผลึกเดี่ยวด้านล่างขึ้นมาสู่ด้านบน เรียกว่า Solid Phase Epitaxial Regrowth (SPER) เพื่อคืนสภาพผลึกเดี่ยวสมบูรณ์
- Transient Enhanced Diffusion (TED) Suppression: ข้อจำกัดในการอบร้อนคือ อะตอมสารโดปมักเกิดการแพร่กระจายตัวอย่างรวดเร็วผิดปกติจาก Interstitials (TED Effect) ทำให้ขอบเขตจังก์ชั่นกว้างขึ้นจนคุมช่องทรานซิสเตอร์สั้นได้ยาก อุตสาหกรรมยุคใหม่จึงต้องเปลี่ยนจากการอบเตาแบบดั้งเดิมไปเป็นการใช้อุปกรณ์ควบคุมเวลาระดับไมโครวินาที เช่น RTA หรือ LSA (Laser Spike Annealing) เพื่อจำกัดงบประมาณความร้อน (Thermal Budget)
| เทคนิค | อุณหภูมิ | เวลา | ใช้กับ |
|---|---|---|---|
| Furnace Anneal (อบเตา) | 800–1000°C | นาที–ชั่วโมง | Well formation, legacy node (โครงสร้างลึก) |
| RTA (Rapid Thermal Anneal) | 1000–1100°C | วินาที | Source/Drain activation ทั่วไป, ลด TED |
| Flash Anneal (อบวับ) | 1200–1300°C | มิลลิวินาที (ms) | Ultra-shallow junction สำหรับชิปความเร็วสูง |
| Laser Anneal (LSA / DSA) | 1200–1350°C | ไมโครวินาที (μs) | Source/drain ในชิปสเกล ≤5nm node |
06 Applications ใน CMOS Process
WELL FORMATION
N-well / P-well
N-well (P implant) สำหรับ PMOS, P-well (B implant) สำหรับ NMOS — deep, high energy
Vt CONTROL
Channel Implant
ปรับ threshold voltage ตาม design target ด้วย low dose channel implant
SHORT CHANNEL
Halo / Pocket
ลด DIBL และ short channel effect ด้วย tilted halo implant ใกล้ gate edge
S/D
Extension + Deep S/D
SDE (shallow) ลด series resistance + deep S/D high dose สร้าง ohmic contact