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
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
หลัง implant ต้อง anneal เพื่อ (1) activate dopants ให้แทนที่ Si ใน lattice สร้าง carrier และ (2) ซ่อม crystal damage
| เทคนิค | อุณหภูมิ | เวลา | ใช้กับ |
|---|---|---|---|
| Furnace Anneal | 800–1000°C | นาที–ชั่วโมง | Well formation, legacy node |
| RTA (Rapid Thermal) | 1000–1100°C | วินาที | S/D activation, ลด diffusion |
| Flash Anneal | 1200–1300°C | ms | Ultra-shallow junction |
| Laser Anneal (LSA) | 1200–1350°C | μs–ms | Source/drain ≤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