여러분들 이번 장 부터는 이온주입 공정에 대해서 다루어보겠습니다. 여러분들은 Si이 반도체 학문으로 다루어질 수 있었던 가장 큰 이유는 바로 Doping에 의한 전기적 특성을 변화할 수 있다는 점입니다. 저도 소재를 연구했지만, 항상 신소재를 연구하면 빠질 수 없는 것이 바로 Doping 특성을 확인한답니다. 특히 박막의 경우, Si의 PN Jucntion 처럼 P-type & N-type 구현이 가능하다면 새로운 학문으로 이어질 정도로 중요한 특성입니다.
특히 반도체 소자에서 Threshold Voltage를 Modulation 할 수 있는 핵심 공정인 Ion Implant 공정에 대해서 차근차근 준비해보도록 하겠습니다.
[질문 1] Ion Implant 공정에 대해서 설명하세요.
Implant 공정은 이온을 생성 시킨 후에 일정 에너지로 생성된 이온을 가속시켜 이온을 실리콘 표면에 일정 깊이로 주입하는 공정으로, 반도체 소자인 Transistor, Diode, 저항 등의 전기적 특성을 조절하는 공정입니다. 진성반도체 상태에서는 반도체이지만 전류가 흐르지 않는 상태입니다. 불순물 이온을 주입하여 활성화 시킴으로써 전기적 특성을 갖게 하는 핵심 공정이라 할 수 있습니다. 전자가 Majority Carrier인 N-type 반도체를 만들기 위해서는 As, P와 같은 5가 원소(Donor)를 주입하고, 정공이 Majority Carrier인 P-type 반도체를 만들기 위해서는 B, Al, Ga, BF2와 같은 3가 원소(Acceptor)를 주입합니다. 일반적으로 Doping은 Fab에서 Wafer에 PN Junction 형성을 통해 Device 기능을 구현합니다. 반도체 재료의 Conductivity 수준과 Type을 변경하고 Bipolar Device의 경우 Base, Emitter, Resisto를 형성합니다. MOSFET의 경우는 Drain, Source, Channel을 형성할 때 적용되는 공정입니다.
[세부 정리] Implant 공정의 Target 조건 수립을 위해 간략하게 정리하면 다음과 같습니다. 1. "요구하는 Type의 불순물" → 11B+, 31P+, 75As+ 등 → Source, Analyzer 2. "필요한 양만큼" → Dose : Ions/cm^2 → Faraday System 3. "필요한 깊이로" → Xj : Junction Depth → Ion Energy Control 4. "Wafer 전체에 균일하게" → Uniformity → Scan System 5. "Wafer 상의 Local한 부분만" → Masking → PR, Oxide, Nitride
반도체 소자의 전기적 특성은 이온주입의 종류에 따라 결정됩니다. (Dopant Type, 주입 Energy, 불순물의 량)
[용어 정리] 1. Tube Wafer에 불순물이 들어가는 것을 막기 위하여 전기로의 가열 코일과 Wafer 사이에 장착되어 있는 우너통 모양의 Quartz 제품을 나타냄.
2. DRIVE-IN : 주입된 Ion (Boron, Phosphorous, Arsenic) 등을 필요한 만큼 Diffusion 시키는 공정
3. DOSE : Ion Implantation 등 충격에 의해서 반도체의 불순물을 주입하는 것을 Dose라 나타내며, 그 주입량을 DOSE 량이라고 표현함. Low Dose, High Dose가 있음.
4. Doping : 반도체의 전도형태를 변경하기 위해 P-type 또는 N-type의 불순물을 확산이나 Ion Implantation에 의해 주입하는 것을 의미. 주입되는 불순물을 Dopant라 함.
5. 이온주입기 : 불순물을 이온화시킨 후 충분한 Energy로 가속하여 Wafer에 주입시키는 장치.
6. Rp (Projected Range) : 이온의 투영 비정거리 (뒤에서 자세히 다루겠음)
7. LDD (Lightly Doped Drain) 공핍층 내 전계를 완화시켜 Avalanche 현상이나 Hot Carrier 발생을 방지하기 위해 Drain의 채널 측에 가볍게 도핑한 층.
[꼬리 1.1] Implant 농도의 단위와 Dose Count에 대해서 설명하세요.
반도체의 Carrier Concentration은 단위 부피당 전자, 또는 정공의 수로 [#/cm^3]의 단위를 갖습니다. Implant Dose는 Flux 개념을 사용할 때, 즉 초당 cm^2에 흐르는 이온수로 표현됩니다. 즉, 이온 Beam에 의해 운반된 전류를 사용하기 때문에 [#/cm^2] 단위로 나타냅니다.
Hot Filament에 의해 생성된 Hot Electron을 중성원자와 충돌시켜 양이온을 생성시킵니다. 생성된 양이온을 강한 전계를 통해 가속시켜 이온질량분석기를 통해 원하는 이온을 추출하여 실리콘 기판에 물리적으로 주입시킵니다. 이온주입의 장점은 소자의 소형화가 가능하고 정확한 양과 정확한 깊이에 원하는 농도만큼 도핑이 가능합니다. 이온주입 방법을 사용하묜 방향성을 가진 이온이 주입되기 때문에 수평방향으로 덜 주입되고 Vertical 한 Doping Profile을 구현할 수 있어 반도체 Scaling이 가능하기에 미세공정에서 반드시 요구되는 공정기술입니다. 비교적 100℃ 이하의 저온공정이기 때문에 Thermal Budget을 낮추고 유기막인 PR Mask를 Blocking Mask로 사용할 수 있다는 장점이 있습니다. 하지만, 가속된 이온에 의해 결정격자가 손상되고 주입된 이온을 Activation 시키기 위해서 Damaging Curing과 Activation을 위한 후속 열처리 공정이 필히 요구됩니다.
[세부 설명]
① Vacuum System : 1E-07~1E-08 Torr의 진공환경으로, Diffusion Pump나 Ion Pump가 Main Pump로 사용됨. ② 이온공급장치 : Discharged Plasma (Hot Filament에 의한 Hot Carrier 생성) → 가속 → 중성원자 충돌 → 이온 생성. 사용가스는 Dopant Type에 따라, 혹은 Doping Profile, 인가 Energy에 따라 질량을 고려하여 BF3, PH3, AsH3, BCl3, AsF3 등등 다양한 Source가 있음. -생성 이온 : 10B(19%), +11B(81%) in BF3, / Ion 종류 : 10B+, 10BF+, 10BF2+, 10BF3+, F2+, .... ③ 분류기 : 원하는 이온을 선택하는 부분. Magnet이 있어 원하는 이온을 선택할 수 있음. 이는 이온질량분석기로 가속된 하전입자의 질량에 따라 자계 내에서 Path의 변경을 제어하여 원하는 Type의 Ion을 추출할 수 있음. ④ 가속기 : keV Energy 가속. 주입 에너지의 가속. [Beam in - High Voltage - Beam Out] 세 영역으로 최종 Ion Beam이 Out 되는 Energy를 산출하여 Doping Profile의 Junction Depth를 제어함. 일반적으로 Beam In 영역은 Ion Beam을 발생시키기 위해 필요한 Energy임.
⑤ 빔 집속기 : 자장 렌즈를 사용하여 직경 수mm ~1cm의 Beam을 형성. Beam Size의 Spec과 제어하는 기술이 고집적화를 위해서 매우 중요한 기술로 자리잡음. ⑥ 중성빔 포획 장치 : Neutral Beam Trap and Beam Gate : 이는 Doping Uniformity를 손상시킬 수 있어, 중성원자를 제거하는 단계임. ⑦ 주사 장치 - X-Y 주사법 : Wafer 고정 + Ion Beam을 X-Y 주사. - 혼합주사법 : Ion Beam이 한 방향으로만 이동 + Wafer가 직교방향으로 이동 - 기계적 주사법 : Ion Beam 고정 + WF가 X,Y 방향으로 조사 ⑧ 이온주입실 : 실제 이온이 주입되는 곳. - Q<1,013 ions/cm^2 (10초 이내에 이온 주입) - Q >1,013 ions/cm^2인 경우는 Wafer Handling 보다 이온주입 시간이 문제 (High Current Implantor)
[Wafer Handling] 1. Ion Beam 직경 : ~25mm (~1 inch) 2. Wafer 직경 : 200mm (8 inch) 또는 그 이상 3. Wafer 전체에 Ion Beam을 Scan 하기 위해 Beam or Wafer or 둘 다 움직일 필요가 있음. -Spin Wheel / Spin Disk / Single Wafer Scan
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