半導體製程系列 5/ 8 | 摻雜：掌控原子，才能控制電流

想像你在廚房為 AI 晶片大餐撒上一撮魔法調味，讓電流智慧流動。這是《邊喝邊想》半導體系列的第五篇，上篇談電晶體如何成為心跳，這篇聚焦摻雜如何掌控原子，驅動 AI 運算。本系列共八篇，涵蓋晶圓、氧化、晶體管、摻雜、沉積、光刻、蝕刻/CMP。核心問題：如何精準植入原子，優化晶片性能？

摻雜：電流的魔法開關

摻雜是半導體製程的靈魂，通過在純矽中植入微量雜質（如硼、磷、砷），改變電導率，打造晶體管的開關功能。為什麼需要摻雜？純矽電導率極低，無法有效傳導電流。摻雜引入載子（電子或電洞），使矽能精準控制電流方向與大小。

離子束撞擊材料表面，離子植入將帶電雜質（如硼 B+、砷 As+）加速射入晶圓。部分表面原子可能濺射脫離並產生反射離子。

摻雜分為 N 型（5A族，磷，產生電子）與 P 型（3A族，硼，產生電洞）。

2. P 型與 N 型：電流的協作。摻雜分為 P 型（硼，產生電洞）與 N 型（磷，產生電子），兩者在結合成為二極體，實現電流開關。以 NVIDIA A100 GPU 為例，其採用低能量離子植入（<10 keV）與精準劑量控制（10¹³/cm²），打造超淺接面，使 AI 訓練速度達 312 TFLOP，較前代提升 20 倍。劑量過多（如超過 10²⁰/cm³）會導致載子過飽和，增加漏電流與功耗；劑量過少（如低於 10¹⁶/cm³）則電導率不足，晶體管開關效率下降，影響運算速度。適量劑量需根據製程（如 7nm 或 2nm）與晶體管設計精確計算，確保電流穩定且功耗低。

3. 熱退火：喚醒原子潛能。離子植入破壞晶格，導致電性不穩定，因此需退火修復晶格並活化摻雜原子。快速熱退火（RTA，Rapid Thermal Annealing）以超高速加熱（>200°C/s）與短時間（<2 秒）處理，壓縮擴散長度，減少暫態增強擴散。例如，蘋果 M2 晶片透過 RTA 優化，每瓦性能提升 18%，支撐低功耗 AI 應用。劑量不當會放大退火挑戰：過多雜質可能導致擴散過度，形成模糊接面；過少則活化不足，降低電流效率。適量劑量與退火參數（如溫度、時間）需嚴格匹配，確保晶格修復與電性最佳化。

摻雜驅動的未來

摻雜技術讓晶片成為 AI 時代的核心，從手機語音助手到自駕車決策系統，皆仰賴精準原子控制。第三代半導體如氮化鎵（GaN）與碳化矽（SiC），因其高電壓與高頻特性，廣泛應用於電動車與 5G 設備，對摻雜劑量與均勻性的要求更為嚴苛。未來，量子電路可能涉及單原子操控，劑量過多導致能耗高、性能下降，過少則無法滿足運算需求。訂閱《邊喝邊想》，探索下篇沉積如何抹上奈米奶油！