กระบวนการเจือสารในอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำด้วยเทคนิคการยิงฝังประจุไอออนสารเจือ (Semiconductor Device Dopi
บทคัดย่อ
กระบวนการเจือสารคือกระบวนการที่ทำให้สารที่มีความบริสุทธิ์สูญเสียความบริสุทธิ์เพื่อเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติทางกายภาพของสารนั้นๆ การเจือสารในวัสดุสารกึ่งตัวนำจัดทำขึ้นเพื่อเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติการนำไฟฟ้าของสารนั้นให้ดีขึ้น การเจือสารนิยมใช้ 2 วิธีคือวิธีการแพร่สารเจือ (diffusion) และวิธีการยิงฝังประจุสารเจือ (implantation) ในบทความนี้นำเสนอการเจือสารโดยเทคนิคการยิงฝังประจุไอออน (ion implantation) ประกอบไปด้วยเทคโนโลยีการเจือสารโดยกระบวนการยิงฝังประจุไอออน เครื่องยิงฝังประจุ ขั้นตอนการเจือสาร ผลการเจือสาร การวิเคราะห์ผล ประโยชน์และการประยุกต์ใช้งานการยิงฝังประจุ ซึ่งกระบวนการดังกล่าวทำขึ้น ณ ศูนย์เทคโนโลยีไมโครอิเล็กทรอนิกส์ ซึ่งนับได้ว่ามีความพร้อมในการสร้างอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำที่มีขนาดลายวงจรในระดับต่ำกว่า 1 ไมครอนบนแผ่นผลึกซิลิกอนขนาด 6 นิ้ว
บทนำ
การเจือสารในสารกึ่งตัวนำจัดทำขึ้นเพื่อเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติการนำไฟฟ้าของสารนั้นให้ดีขึ้น เช่น การเพิ่มอิเล็กตรอนโดยการเจือสารฟอสฟอรัส (phosphorus: P) หรือธาตุหมู่ที่ 5 และการเพิ่มโฮล (hole) โดยการเจือสารโบรอน (boron: B) หรือธาตุหมู่ที่ 3 ในสารกึ่งตัวนำซิลิกอน (silicon: Si) ซึ่งเป็นธาตุหมู่ที่ 4 ทั้งนี้โฮลและอิเล็กตรอนเป็นพาหะนำไฟฟ้าในสารกึ่งตัวนำ เทคโนโลยีการเจือสารในปัจจุบันมี 2 วิธี ได้แก่ วิธีการแพร่และวิธีการยิงฝังประจุ วิธีการแพร่สารเจือทำโดยอาศัยการแพร่จากสารที่มีความเข้มข้นมากไปสู่สารที่มีความเข้มข้นน้อยภายใต้อุณหภูมิสูงในบรรยากาศไนโตรเจนหรือก๊าซเฉื่อย วิธีการยิงฝังประจุทำโดยการสร้างประจุไอออนของสารเจือแล้วทำการยิงประจุด้วยพลังงานทางไฟฟ้าโดยไม่จำเป็นต้องทำภายใต้อุณหภูมิสูง ในปัจจุบันวิธีการยิงฝังประจุได้รับความนิยมอย่างมากในกระบวนการสร้างวงจรรวม (integration circuit: IC) เพราะวิธีการยิงฝังประจุสามารถควบคุมการแพร่ด้านข้าง (lateral diffusion) ควบคุมปริมาณสารเจือ (dose control) ควบคุมความลึก (junction depth control) ควบคุมการปนเปื้อนบริเวณพื้นผิว และการเลือกใช้หน้ากากป้องกัน (mask) ได้ดีกว่าวิธีการแพร่ การกระจายด้วยวิธีการแพร่จะกระจายตัวทุกทิศทุกทางซึ่งทำให้การแพร่ด้านข้างมีบริเวณเท่ากับการแพร่ด้านลึก เมื่อการแพร่ด้านข้างมีบริเวณกว้างส่งผลให้การสร้างอุปกรณ์มีขนาดใหญ่ตาม สำหรับการเจือสารด้วยวิธียิงฝังประจุพบว่าการกระจายตัวของสารเจือด้านข้างเกิดขึ้นเพียง 30 เปอร์เซ็นต์ของความลึก ดังนั้นอุปกรณ์ที่สร้างได้จะมีขนาดเล็กลงเมื่อเปรียบเทียบที่พื้นที่เท่ากัน จำนวนของตัวอุปกรณ์โดยวิธียิงฝังประจุจะมีมากกว่าวิธีการแพร่เมื่อเปรียบเทียบการทำงานในวงจรรวมก็จะมีความเร็วในการทำงานที่เร็วกว่า ส่งผลให้อุปกรณ์มีประสิทธิภาพที่ดีดว่า เช่น การสร้าง CPU ของคอมพิวเตอร์ เมื่อจำนวนทรานซิสเตอร์เพิ่มมากขึ้น ความเร็วในการทำงานจะมีค่าเพิ่มขึ้นที่ขนาด CPU เท่าเดิม นั่นหมายความว่าทรานซิสเตอร์มีขนาดเล็กลงตามกฎของมัวร์ (Moore's law)
วัสดุอุปกรณ์และวิธีการ เครื่องยิงฝังประจุสามารถแบ่งตามการใช้งานได้เป็น 3 ประเภท ได้แก่ เครื่องยิงฝังประจุกระแสสูง (high current ion implanter) เครื่องยิงฝังประจุกระแสขนาดกลาง (medium current ion implanter) หรือรุ่นมาตรฐาน (standard ion implanter) และเครื่องยิงฝังประจุพลังงานสูง (high energy ion implanter) ซึ่งแต่ละรุ่นจะเหมาะสมกับงานเฉพาะด้าน เช่น เครื่องยิงฝังประจุกระแสสูง เหมาะสำหรับการสร้างสารกึ่งตัวนำที่ต้องการสภาพการนำไฟฟ้าสูง ดังเช่นการสร้างโพลีเกต (polygate) ของทรานซิสเตอร์ซีมอส (complementary metal oxide semiconductor: CMOS) ที่ต้องการความเข้มข้นของปริมาณสารเจือสูงในระดับ 10 x 10^20 atoms/cm3 แต่ความลึกในการยิงจะตื้น เป็นต้น เครื่องยิงฝังประจุกระแสขนาดกลางเหมาะสำหรับการสร้างสารกึ่งตัวนำที่ต้องการความเข้มข้นระดับกลางและความลึกระดับต่ำกว่าไมครอน เช่น การสร้าง N+s/d (N+ Source/Drain) ที่ต้องการความลึกไม่เกิน 0.44 ไมครอน ในการสร้าง CMOS ขนาดเกต 0.8 ไมครอน เป็นต้น และเครื่องยิงฝังประจุพลังงานสูงเหมาะสำหรับการสร้างสารกึ่งตัวนำที่ต้องการความลึกในการเจือสารมาก แต่ความเข้มข้นสารเจือน้อย เช่น การสร้าง N-well ในการสร้าง CMOS ขนาดเกต 0.8 ไมครอน ซึ่งต้องการความลึกประมาณ 1.8 ไมครอน เป็นต้น
ในกระบวนการเจือสารด้วยเครื่องยิงฝังประจุ ประจุที่ใช้เป็นประจุบวกเกิดจากการแยกสลายก๊าซให้เป็นพลาสมาในบริเวณ ion source จากนั้นประจุบวกจะถูกแยกออกมาด้วยศักย์ไฟฟ้าโดย extraction electrode ผ่านเข้าสู่ analyzer magnet เพื่อคัดแยกเฉพาะประจุที่มีมวลโมเลกุลที่ต้องการ (atomic mass unit: AMU) เช่น B = 11, P = 31, Ar = 40, As = 75 และ BF2 = 49 เป็นต้น เข้าสู่ acceleration tube เพื่อเพิ่มพลังงานในการเคลื่อนที่ของประจุบวกผ่านระบบเลนส์ (quadrupole lens) และ x-y scanner ในบริเวณส่วน beam line ไปโฟกัสและยิงกวาดลงบนแผ่นผลึกซิลิกอนบริเวณ target ในส่วน end station การเคลื่อนของไอออนในเครื่องยิงฝังประจุเกิดขึ้นในระบบสุญญากาศทั้งหมด องค์ประกอบหลักๆ ของ medium current ion implanter พลังงานในการยิงถูกควบคุมจากสองส่วนคือ extraction electrode และ acceleration tube เช่น เครื่องยิงฝังประจุกระแสขนาดกลาง พลังงานของประจุสามารถกำหนดได้ด้วยความต่างศักย์ไฟฟ้าของ acceleration tube ซึ่งสามารถแปรค่าได้ตั้งแต่ 0 ถึง 170 กิโลโวลต์ ซึ่งเมื่อรวมกับศักย์ไฟฟ้าของ extraction electrode ซึ่งสามารถแปรค่าได้ตั้งแต่ 0 ถึง 30 กิโลโวลต์ ในการแยกประจุภายในส่วน ion source ดังนั้นค่าพลังงานของงประจุสามารถควบคุมได้ในช่วง 0 ถึง 200 กิโลอิเล็กตรอนโวลต์ (0-200 keV)
กระบวนการยิงฝังประจุสามารถหาความสัมพันธ์ระหว่างระยะการเคลื่อนที่ของอะตอมสารเจือในผลึกของแข็งและพลังงานโดยพิจารณาได้จากอัตราการสูญเสียพลังงานต่อระยะทาง พบว่าไอออนที่ใช้ในการยิงฝังประจุถ้ามีมวลต่างกันจะทำให้ระยะการเคลื่อนที่มีค่าต่างกัน ระยะการเคลื่อนที่ของไอออนสารเจือจะอาศัยพลังงานจลน์จากพลังงานในการยิงและลดพลังงานลงเรื่อยๆ จนเป็นศูนย์เมื่อเข้าสู่ภายในวัตถุฐานรอง เนื่องจากไอออนเกิดการชนกับอะตอมฐานรองทำให้ระยะการเคลื่อนที่ของไอออนหรืออะตอมสารเจือขึ้นอยู่กับอัตราการสูญเสียพลังงานต่อระยะทาง การเจือสารโดยวิธียิงฝังประจุจำเป็นต้องทำการแอนนีล (anneal) เพื่อทำให้เกิดปฏิกิริยาระหว่างไอออนสารเจือกับอะตอมฐานรองแบบสมบูรณ์ (activation) เมื่อพันธะระหว่างสารเจือและฐานรองเกิดการจับคู่จะให้พาหะนำไฟฟ้า ซึ่งความร้อนดังกล่าวทำให้สารเจือเกิดการแพร่ (diffusion) การเจือสารเพื่อลดหรือเพิ่มความต้านทานของฐานรองจำเป็นต้องทราบค่าสภาพต้านทาน (resistivity) ในการเจือสาร เมื่อสารเจือเกิดการ active ที่สมบูรณ์ซึ่งจะมีผลทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงสภาพต้านทานของวัสดุนั้น ดังนั้นการควบคุมความต้านทานของสารกึ่งตัวนำสามารถควบคุมได้ด้วยปริมาณสารเจือในการยิงฝังประจุ
ขั้นตอนการเจือสารโดยวิธียิงฝังประจุประกอบไปด้วย 3 กระบวนการคือ กระบวนการยิงฝังประจุ กระบวนการแอนนีล และกระบวนการวิเคราะห์ กระบวนการยิงฝังประจุสามารถเลือกชนิดของไอออนสารเจือเพื่อกำหนดชนิด (type) ของสารกึ่งตัวนำหลังการเจือสารนั้นๆ การกำหนดปริมาณสารเจือเพื่อควบคุมความเข้มข้นของปริมาณสารเจือ การกำหนดพลังงานในการยิงฝังประจุเพื่อควบคุมความลึกในการเจือสารและการกำหนดมุม (tilt) ในการยิงฝังประจุเพื่อลดปรากฎการณ์ channeling effect และ channeling tail ในชั้นโพลีเกต (polycrystalline Si gates)
กระบวนการแอนนีล หลังจากทำกระบวนการยิงฝังประจุเสร็จแล้ว บริเวณที่ถูกยิงฝังประจุจะมีการเปลี่ยนรูปร่างจากโครงสร้างผลึกไปเป็นอสัญฐาน (amorphous) ซึ่งอะตอมสารเจือจะอยู่ภายนอกแลททิส (lattice) ของอะตอมที่ทำการเจือ
กระบวนการวิเคราะห์ผล หลังจากผ่านกระบวนการยิงฝังประจุและการแอนนีลจะทำการวัดค่าความต้านทานเชิงแผ่น (sheet resistance) ด้วยเครื่องมือวัด Four Point Probe และค่าความหนาแน่นสารเจือ (dopant density) ค่าความลึกในการเจือสาร (junction depth) ด้วยเครื่อง Spreading Resistance Profiling (SRP)
ผลการทดลองและวิจารณ์ผล
ผลการเจือสารโดยวิธียิงฝังประจุไอออนพบว่าเมื่อปริมาณสารเจือเพิ่มมากขึ้น ค่าความต้านทานเชิงแผ่นจะลดลง เนื่องจากค่าสภาพต้านทานลดลง แต่ความลึกในการเจือสารจะเพิ่มขึ้น เนื่องจากปริมาณสารเจือมาก เกิดการแพร่มากกว่าปริมาณสารเจือน้อย ส่งผลให้ความลึกในการแพร่หลังการแอนนีลมีค่ามากกว่า เมื่ออุณหภูมิในการแอนนีลมากขึ้นมีผลทำให้ค่าความต้านทานลดลง เนื่องจากการกระตุ้นที่สมบูรณ์มากขึ้นและความลึกในการแพร่ที่มากขึ้น
สรุป
การเจือสารในการสร้างอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำในวงจรรวมนิยมใช้วิธีการฝังยิงประจุ เพราะสามารถกำหนดความต้านทานที่ต้องการได้อย่างแม่นยำ โดยสามารถควบคุมชนิดของสารเจือ เช่น สารกึ่งตัวนำชนิดเอ็นใช้การยิงฝังประจุฟอสฟอรัส (phosphorus: P) หรืออาซินิกส์ (arsenic: As) สารกึ่งตัวนำชนิดพีใช้การยิงฝังประจุโบรอน และยังสามารถใช้โบรอนไดฟลูออไรด์ (boron difluoride: BF2) ได้ เป็นต้น สามารถควบคุมปริมาณความเข้มข้นสารเจือโดยควบคุมปริมาณสารเจือในการยิงฝังประจุ สามารถควบคุมความลึกในการเจือโดยการควบคุมพลังงานในการยิง ศูนย์เทคโนโลยีไมโครอิเล็กทรอนิกส์สามารถทำการเจือสารฟอสฟอรัส อาซินิกส์ โบรอน และโบรอนไดฟลูออไรด์ในปริมาณสารเจือที่พลังงานตั้งแต่ 10-200 keV และสามารถทำการแอนนีลที่อุณหภูมิ 200-1200°C และมีความพร้อมในการผลิตและออกแบบการสร้างวงจรรวมที่มีลวดลายต่ำกว่าไมครอนได้
ประโยชน์และการประยุกต์ใช้งาน
ปัจจุบันศูนย์เทคโนโลยีไมโครอิเล็กทรอนิกส์พัฒนาการสร้างอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำหลากหลายชนิด เช่น ทรานซิสเตอร์มอสเฟทชนิดซีมอส หัววัดค่าความเป็นกรดด่าง (pH sensor) อุปกรณ์วัดสนามแม่เหล็ก (magnetic transistor sensor) อุปกรณ์วัดความดัน (pressure sensor) และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง (power electronic) บนฐานรองซิลิกอน การสร้างอุปกรณ์ดังกล่าวประกอบไปด้วยกระบวนการเจือสารหลายๆ ขั้นตอน เช่น การสร้างบ่อเอ็น (N-well) การสร้างซอสเดรน (source-drain) และการสร้างโพลีเกท (polycrystalline gate) ในการสร้าง CMOS ซึ่งแต่ละขั้นตอนการสร้างมีเงื่อนไขการสร้างที่แตกต่างกัน ได้แก่ ปริมาณสารเจือ (dose) พลังงานการยิง (energy) และชนิดของอะตอมสารเจือ (impurity atom) ขึ้นอยู่กับกระบวนการนั้นๆ ค่าความต้านทานเชิงแผ่นและค่าความลึกในการแพร่เป็นตัวกำหนดที่สำคัญในการสร้าง เช่น P-well มีความลึกมากกว่า P-source/drain เพื่อป้องกัน punch through ยังรวมไปถึงส่วนอื่นๆ ในการสร้าง CMOS ได้แก่ P-well, N-field หรือ N-channel stop, anti-punch through (APT), threshold voltage adjust, polycrystalline gate หรือ poly-gate, N-lightly doped drain (N-LDD), P-lightly doped drain (P-LDD) และ N+s/d เป็นต้น ในส่วนการสร้าง magnetic transistor sensor ใช้ในส่วนการสร้างคอลเล็ตเตอร์ (collector) และอิมิตเตอร์ (emitter) ร่วมไปถึงการสร้าง poly straingauge สำหรับ pressure sensor และอื่นๆ
บทความวิจัยโดยมนตรี แสนละมูล การุณ แซ่จอก สุวัฒน์ โสภิตพันธ์ ชาญเดช หรูอนันต์ และอัมพร โพธิ์ใย ศูนย์เทคโนโลยีไมโครอิเล็กทรอนิกส์ ศูนย์เทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์และคอมพิวเตอร์แห่งชาติ ตีพิมพ์ในวารสารวิทยาศาสตร์บูรพา ปีที่ 13 ฉบับที่ 2 กรกฎาคม-ธันวาคม 2551 หน้า 3-9 อ่านบทความฉบับเต็ม Click
Beautiful Quietness: เงียบแต่ไม่เหงา! ดินแดนแห่งการอ่านและพื้นที่ทางความคิด โลกของนักอ่านและพรมแดนแห่งความรู้ การอ่านสะท้อนความคิด ความคิดสะท้อนตัวตน ตัวตนสะท้อนจิตวิญญาณ pruetsara.wixsite.com