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❒ 離子佈植的原理
將某一種原子直接射入矽晶圓，使摻雜原子分佈在矽晶圓中稱為「離子佈植(Ion implantation)」，類似將子彈直接打到牆壁裡一樣。由於很難將原子直接加速射入矽晶圓中，因此先將氣體原子外加電壓，強迫原子中的電子跳出形成帶正電的氣體離子(電漿)，故稱為「離子佈植」，另外在矽晶圓上外加負電壓，吸引帶正電的氣體離子加速射入矽晶圓中。使用離子佈植摻雜可以達到與高溫擴散摻雜相同的效果，但是離子佈植摻雜必須要形成「氣體離子」，因此必須使用「氣體原子」才行。離子佈植所使用的機器稱為「離子佈植機」，如＜圖一＞所示，離子源主要是外加電壓使氣體原子轉變成氣體離子，同時在矽晶圓上外加負電壓，吸引帶正電的氣體離子加速向下射入矽晶圓中。

圖一　離子佈植機的構造與原理。

❒ NMOS的製作範例
以下將舉一個實例直接說明，如何利用黃光微影、摻雜技術、蝕刻技術、薄膜成長等四大步驟，將一個NMOS製作在矽晶圓上。NMOS的結構如＜圖二＞所示，主要包含三個重要的結構，因此需要「三道光罩」才能製作完成：
➤第一道光罩：在P型矽基板的左右各製作一個N型的區域(類似水溝的構造)，必須使用「摻雜技術」。
➤第二道光罩：在P型矽基板的正中央上方製作一層氧化矽形成閘極，必須使用「蝕刻技術」。
➤第三道光罩：在P型矽基板的正中央氧化矽上方與左右N型區域(水溝)上方蒸鍍一層金屬銅電極，必須使用「薄膜成長」。知識力www.ansforce.com。

圖二　NMOS的構造。

再次提醒大家，製作積體電路並不是「一個一個」將CMOS製作在矽晶圓上，而是「一次」就將數百萬個CMOS直接刻在光罩上，再利用黃光微影技術「一次」就將數百萬個CMOS的圖形經由曝光機(步進機)轉移到矽晶圓的晶粒上，這樣需要的時間比較短，因此我們使用光罩來將圖形大量快速地轉移到矽晶圓上。

❒ 離子佈植的實例
請使用「離子佈植摻雜」，在P型矽基板的左右各製作一個N型的區域。
在矽晶圓中摻雜少量的5A族原子(氮、磷、砷、銻、鉍)可以形成N型的區域，我們以摻雜「氮原子」為例，如＜圖三＞所示，其步驟如下：
➤光阻塗佈：使用光阻塗佈機在表面塗佈光阻層，如＜圖三(a)＞所示。
➤光罩曝光：接著使用「第一道光罩」進行圖形轉移，注意第一道光罩的圖形是讓紫外光穿過左右兩個區域，如＜圖三(b)＞所示。被紫外光照射過的區域光阻化學鍵結被破壞，使光阻很容易被化學藥品溶解掉。
➤化學顯影：使用顯影液溶解化學鍵結被破壞區域的光阻，如＜圖三(c)＞所示。
➤離子佈植：使用離子佈植機，在離子源中產生帶正電的氮離子(電漿)，另外在矽晶圓上外加負電壓，吸引帶正電的氮離子加速射向矽晶圓，如＜圖三(d)＞所示。沒有光阻保護的區域氮離子會直接射入矽晶圓中，形成左右兩個N型的區域；有光阻保護的區域氮離子會射入光阻中，而不會射入矽晶圓。
➤光阻去除：使用去光阻液將殘留的光阻溶解掉，如＜圖三(e)＞所示。

圖三　使用離子佈植摻雜，在P型矽基板的左右各製作一個N型的區域。

❒ 高溫擴散與離子佈植的比較
➤高溫擴散摻雜：一般使用在線寬大於0.35μm(微米)的製程，主要由於高溫擴散是屬於「等向性擴散」，摻雜原子在擴散的過程中不但會向下擴散，也會向左右方向擴散，如＜圖四(a)＞所示，如果閘極的寬度大於0.35μm則影響不大，但是當閘極的寬度小於0.35μm時，會使NMOS的中央閘極下方，兩個N型區域之間的電子通道太窄，如＜圖四(b)＞所示。
➤離子佈植摻雜：一般使用在線寬小於0.35μm的製程，主要由於離子佈植摻雜是屬於「非等向性摻雜」，氣體離子在射入矽晶圓的過程中只會向下移動，而不會向左右方向移動，如＜圖四(c)＞所示，因此不論閘極的寬度大小，NMOS的中央閘極下方，兩個N型的區域之間的電子通道都夠寬，如＜圖四(d)＞所示。

圖四　高溫擴散與離子佈植的比較。

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