오늘은 본격적으로 Ion Implantation에 대해서 다루어보겠습니다. 오늘 다룰 내용은 Ion이 주입되는 과정과 설비에 대한 내용입니다.
그림 : 한국원자력연구원
[질문 1] Ion Implant 공정 설비에 대해서 간략하게 설명해주세요.
이온주입공정 설비를 살펴보면 크게 Ion Source, Beam Line, End Station 3개의 영역으로 구분됩니다. 간략하게 설명드리자면, Ion Source 부에서는 Filament에 전류를 흘려주어 열전자를 방출시키고, 주입된 Dopant Gas와 충돌하여 Ion을 만들어냅니다. 이렇게 형성된 Ion은 Extraction Voltage와 Current를 조절하여 일정한 에너지를 가지는 Ion Source가 형성됩니다. 형성된 Ion Source는 Analyzer를 통해 원하는 원자량을 가지는 Target 이온만을 추출합니다. Beam Line 부에서는 추출된 이온을 집속시켜 Beam을 형성하는 부분입니다. 가속기에서 Acceleration Voltage를 인가해주어 Ion Beam의 Energy를 제어합니다. 이후 형성된 Ion Beam은 Deflector와 Lens Magnet을 조절하여 Wafer에 집속시켜 최종적으로 Beam을 형성합니다. 마지막으로 End Station에서 Wafer에 이온이 주입이 되며, 균일한 이온 분포를 위한 제어 그리고 Beam Current를 Detect하여 원하는 Dose 량을 Monitoring 하면서 Spec이 충족되면 공정이 종료됩니다.
[세부 설명] 이온주입 장비는 크게 3가지로 구분됩니다. 이온을 생성, 추출 및 선택하는 Ion Source 부와 Ion Beam을 형성하고 Control 하는 Beam Line 부, Wafer에 이온을 주입하는 End Station 영역으로 구분됩니다. 각각의 영역에서 어떤 동작이 일어나는지 상세하게 다루어보도록 하겠습니다.
① Ion Source 부 : 이온 생성 및 추출 Ion Source 부에는 텅스텐 재질의 Filament가 있습니다. Filament에 전류를 흘려주어 가열시키면 Hot Electron이 방출됩니다. 원하는 Type의 이온이 포함된 Dopant Gas를 Chamber에 주입하면, Hot Electron이 Dopant Gas와 충돌하면서 양이온을 형성합니다. 이때, 양이온 뿐만 아니라 전자, 핵, 중성자 4가지가 형성되는데 그 중 원하는 양이온을 추출하기 위해서 25kV 고전압을 인가해주면 전체가 양극이 되기 때문에 양이온만이 추출됩니다.
② Ion Source 부 : 이온 선택 (Ion Selection) Ion Source부에서 생성된 이온이 일정 에너지를 가지고 나오게 되면 Magnetic Field를 인가해줌으로써 양이온이 Path를 따라 이동하다가 E-field에 의해서 선택적으로 작은 질량의 가벼운 이온은 빠르게 꺾이고, 무거운 질량의 이온은 천천히 꺾이는 특성을 이용하여 원하는 양이온을 선택적으로 추출할 수 있습니다. 즉, 자기장 이온질량분석기를 통해 적절한 이온을 선택할 수 있는 것입니다. 만일 필요한 양이온이 B11+인데, 다양한 양이온 Source 중에서 B11+만 선택할 수 있습니다. 그래서 적절한 자기장을 제어하여 원하는 양이온이 조리개를 통해 빠져나오고 나머지는 필터링되어 걸러집니다.
③ Beam Line 부 : 이온 가속 (Ion Acceleration) 이온에 추가적인 에너지를 주어 이온을 더욱 가속시킵니다. 조리개를 통해 빠져나온 선택된 이온이 가속부에서 E-field에 의해 에너지가 추가적으로 이온에 가해집니다. 추출할 때는, Vext+Vacc의 합으로 에너지가 두 부류로 나누어집니다. 이온 추출시에 30kV로 가속되고, Vacc에서 70kV가 가해지면 이온의 에너지는 100kV가 됩니다. 가해지는 전압만큼 Junction Depth를 제어할 수 있습니다. 가속부에서 전압을 조절해서 얼마정도 추가로 가속해야 하는지가 Wafer 표면으로부터 깊이 방향으로의 Depth를 제어할 수 있습니다. (일반적으로 Ion Extraction, Vext는 최대 40kV까지 가능합니다. 40kV 이상의 가전압을 만들 필요가 있을 때, 여분의 전압을 Acceleration Voltage에서 가해주어야 합니다.) ④ 이온주입 : Beam Scan Wafer에 정해진 Dopant를 균일한 양으로 이온을 주입하는 단계를 Beam Scan이라 합니다. 가속화된 이온을 웨이펴 표면에 주입시키는데, Beam Scan과 Disk Scan 두 가지 Type으로 구분됩니다. Beam Scan은 일반적으로 낮은 Dose의 이온을 주입할 때 사용하고, Vertical하게 움직이거나 수평으로 움직이는 두 가지 동작이 연동됩니다. Scan Pattern이 사선으로 이온 주입됩니다. 이런 모양 때문에 이온 Dose의 Uniformity가 양호합니다.
⑤ 이온주입 : Disk Scan Disk Scan 역시 Wafer에 정해진 Dopant를 균일하게 이온을 주입하는 단계입니다. Disk는 원판으로 Wafer를 의미하며 15-25장의 Wafer가 Loading 되어 시계방향으로 회전하면서 축을 따라 움직입니다. Ion Beam은 Path가 고정된 상태이고, Wafer가 회전이 되면 위 아래로 움직이고 사선으로 이온 주입이 됩니다. 이 방식은 High Dose 이온 주입 시 적용됩니다. Wafer를 25장까지 Loading 할 수 있기에, High Throughput으로 양산성까지 확보할 수 있는 방식입니다. 균일한 Dose를 위해 Scan Speed를 조절하여 균일하게 Doping 되도록 제어하고 일반적으로 Rotation은 1,200rpm으로 제어됩니다.
⑥ In-situ Dose Monitoring Ion Beam 형태로 Wafer 표면에 조사되면 충돌에 의해 2차 전자가 발생합니다. 전자가 Disk를 통해 Current Mirror를 빠져나가면서, 전류를 발생시키는데 하나의 이온이 나오게 되면 하나의 전자가 들어갈 수 있도록 전류를 Monitoring 할 수 있습니다. 정확한 Dose를 Monitoring 할 수 있다는 것은 정말 강력한 장점입니다. 추가적으로 Ground Mask 부분은 Ion Beam 형태로 들어오다가 부딪히게 되면 이 부분에서 금속성 성분이 튀어나올 수 있고, 원하지 않는 추가적인 하전입자가 나올 수 있기에 이를 방지하기 위해 Ground Mask가 포함되어 있습니다.
[질문 2] Ion Implant 공정의 기본 원리에 대해서 간략하게 설명해주세요.
이온주입 공정은 크게 6개의 공정 단계를 거칩니다. 첫 번째는 이온생성 (Generation of Ions)입니다. 원하는 이온이 포함된 Dopant Gas를 Chamber에 주입하여 양이온을 생성합니다. (BF3, B2H6, PH3, AsH3, ... → B11+, BF2+, P31+, As7(5+), ... ) 생성된 이온은 높은 전기장에 의해 이온추출 (Ion Extraction)이 됩니다. 이때 가해진 Extraction Voltage는 Wafer에 주입될 때의 Total Ion Energy에 기여합니다. 추출된 이온은 이온질량분석기에서 적절한 자기장을 인가하여 이온의 잘량과 Charge에 따라서 이온이 선택 (Ion Selection) 됩니다. 선택된 이온에 추가적인 에너지를 주어 이온을 가속 (Ion Acceleration) 시킵니다. 이때의 Energy는 Junction Depth에 영향을 미치며, 가속기연구소와 같이 에뮬레이터가 존재하여 Pulse를 인가해 Ion Cluster 형태의 거동으로 변조하여 가속시킵니다. 이때 전극의 On/Off 개수를 이용해 전압을 조절합니다. 가속된 이온은 Wafer에 정해진 Dopant를 균일한 양으로 이온주입 (Beam Scan/Disk Scan) 하게 됩니다. 마지막으로 주입된 이온의 양을 Monitoring함으로써 (In-situ Dose Monitoring) Wafer에 주입된 이온의 양을 최종 확인합니다. (Ex. BF2-100kV-5.0E15)
여러분들 오늘은 Ion Implant 공정의 설비 내부를 파헤쳐 보았습니다. 교관은 포항가속기연구소에서 공동연구를 수행했던 경험이 있는데, 방사광을 형성하는 원리와 Ion Beam을 형성하는 가속기부가 유사한 구조를 가지고 있다는 것을 알았습니다.
Ion이 부딪히는 것이 아니라 Ion Beam이 부딪히는 것입니다. 이게 무슨 말이냐면, 가속기 부에는 수많은 에뮬레이터라는 전극이 존재합니다. 이 전극에 Pulse 파형을 인가하면 On/Off 되면서 이온들이 Cluster 형태로 이동하게 됩니다. 가속기연구소에서 방사광을 Align 했었던 것과 방법은 유사해서 이해가 더욱 쉬웠답니다.
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