여러분들 이온공정 주입은 반도체 공정의 핵심이라고 할 수 있습니다. 기존에는 Diffusion 방식으로 이온을 주입했었는데, 집적도가 높아지고, 복잡한 구조의 미세공정 시대가 도래하면서 Diffusion을 활용한 이온주입 공정은 도태될 수밖에 없게 됐습니다. 오늘은 여기에 초점을 두고 교육을 진행하겠습니다.
[질문 1] Diffusion을 통한 Doping에 대해서 설명하고 이슈에 대해서 설명해주세요.
Thermal Diffusion은 과거의 불순물 주입 방법으로, 고온에서 Gas 혹은 Doping된 산화물 혼합소스를 이용하여 열확산에 의해 불순물이 주입됩니다. 이떄 Doping 영역이 아닌 부분은 Diffusion Barrier를 활용하여 선택적으로 주입할 수 있습니다. 그리고 Doping Profile은 Wafer 표면으로부터 Depth 방향으로 갈수록 Doping Level이 떨어지는 분포를 가집니다. 열확산 방법을 적용하면 표면은 Doping 농도가 높고 기판 방향으로 Doping 농도가 낮습니다. 반도체 내부에 확산해 들어가는 Dopant의 수는 혼합 가수 안에서 Dopant의 부분압력에 비례합니다. 즉 Dopant 가스의 양이 많을수록 Doping 농도가 높습니다. 하지만 Thermal Diffusion의 치명적인 이슈는 모든 방향으로 Dopant Ion이 분포하는 등방성 Profile을 보인다는 것입니다. 이는 반도체의 소형화에 큰 제한이 있으며, Lateral 방향으로 확산되기 때문에 인접 셀과 셀 사이의 거리가 가까워지면서 Leakage 관련 Fail에 의한 수율로 이어질 수 있습니다.
[꼬리 1.1] Thermal Diffusion에 의한 불순물 주입 메커니즘에 대해서 설명해주세요.
Thermal Diffusion은 [Pre-Deposition]과 [Drive-In] 2가지 Step으로 구분됩니다. 기판 표면에 Dopant Gas가 주입되면 기판 표면에 흡착되어 Dopant를 포함하는 얇은 유기 박막이 형성됩니다. 기판 표면에 Dopant가 주입된 순간부터 얇은 박막이 표면에 형성되는 단계를 Pre-Deposition라 합니다. 이후 표면에 흡착된 Dopant 이온들은 열확산을 통해 기판의 깊이 방향으로 확산됩니다. 열에 의해 Dopant가 포함된 박막으로부터 원하는 깊이만큼 재분포를 시키는 단계를 Drive-In 이라 합니다. 온도에 따라 Dopant가 Diffusion되는 깊이와 Peak Concentration이 달라집니다.
[확산방정식, Fick 제 2법칙] Fick's 2nd Law of Diffusion & Solid Defect Types 제 1확산 법칙을 보면 농도가 높은 곳에서 낮은 영역으로 흐르게 됩니다. 이때 기울기는 Activation Energy를 의미하며 기울기가 급격하다는 것은 높은 Activation Energy를 가지고 있음을 의미합니다. 일반적으로 결정의 결함은 침입형과 치환형으로 구분할 수 있습니다. 치환형이 침입형보다 Activation Energy가 높고, 반대로 확산계수는 침입형이 치환형보다 높습니다. P, As, B 이온들이 대표적인 치환형입니다. 그리고 Metal인 Cu, Ni이 침입형으로 낮은 온도에서도 깊숙히 확산해나가는 성질이 있습니다. 우리가 일반적으로 Doping 공정에서 필요한 B, P, As는 치환형이기 때문에 높은 확산에너지가 필요하고 그래서 500-1,200℃ 고온의 공정 온도가 요구됩니다.
Fick 제 2법칙에 따르면 확산분포는 중요한 2가지 단계로 구분됩니다. 첫 번쨰는 일정한 표면 농도의 확산과 일정한 전체 Dopant 확산 두 단계입니다. 일정한 표면 농도 확산은 웨이퍼에 무한의 기체 소스가 유입되고, 열에너지에 의해서 기판 아래로 확산해 나가면서 기판표면은 농도가 높고 기판 깊이 방향으로 농도가 감소합니다. 그에 반해 일정한 전체 Dopant 확산은 일정한 양의 Dopant를 표면에 Deposition 한 후에 웨이퍼 깊이 방향으로 확산시키는 것으로 총 Dopant 양이 일정하여 시간에 따라 확산에 의해서 표면 도핑농도가 감소하게 됩니다.
[질문 2] Thermal Diffusion 과 Ion Implant 공정의 특징에 대해서 설명해주세요.
Thermal Diffusion 방식은 고온의 환경에서 SiO2와 같은 Hard Mask (Diffusion Barrier)를 사용하여, 원하는 Profile을 구현합니다. 하지만 열확산은 고온에 의해 Dopant 원자들이 기판 내부로 확산해 나가기 때문에 등방성 Dopant Profile 특징을 가집니다. 그리고 Dopant 농도와 Junction Depth를 독립적으로 관리할 수 없기 때문에, 반도체 소자의 소형화 관점에서 매우 불리합니다. 그에 반해 Ion Implantation 공정은 저온 공정이 가능합니다. 그래서 Photo 공정에서 Pattern을 형성한 PR 유기막을 Mask로 사용할 수 있습니다. (공정의 목적에 맞게, Nitride 막을 이용한 Hard Mask 적용) 이방성 Dopant Profile 특징이 있으며, Dopant 농도와 Junction Depth를 독립적으로 관리할 수 있습니다.
[꼬리 2.1] Ion Implant 공정이 미세공정에서 채택된 이유에 대해서 설명해주세요.
Ion Implant 공정은 Thermal Diffusion 방식보다 이온의 Lateral 분포를 최소화 할 수 있어 Vertical Profile 구현이 가능합니다. 또한 정확한 양으로 정확한 깊이에 Dopant를 균일하게 분포시킬 수 있습니다. 뿐만 아니라 이온질량 분석기를 통해 원하는 Dopant만을 추출하여 Doping할 수 있으며, 다양한 Masking 재료를 사용할 수 있습니다. 또한 SiO2, SiN 층과 같은 Buffer Layer를 투과하여 이온을 직접 주입가능하며, 저온 공정으로 Photo Mask를 이용한 선택적 Doping에 있어 유리합니다. 그리고 설비 자체 내에 고진공 환경에서 이온주입이 가능하여 설비 Particle에 의한 수율 저하를 최소화 할 수 있습니다.
[꼬리 2.2] Ion Implant 공정의 단점에 대해서 설명해주세요.
아무래도 Ion Implant 공정은 고진공 환경에서 공정이 이루어지기 때문에, 복잡한 구성의 고가 설비 사용으로 인한 비용문제와, 독성 Gas를 사용 및 고전압의 안전문제, 그리고 웨이퍼의 단위시간당 처리량인 Throughput이 Thermal Diffusion에 비해 떨어집니다. 그리고 강제로 물리적인 타격으로 인해 Ion을 주입하기에 Si 표면에 격자 결함을 유발할 수 있어, 이를 Curing 하고 Ion을 Activation 하기 위한 후속 공정이 필히 요구됩니다.
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