이온주입 공정에서 정확한 Depth에 정확한 양의 Dopant를 주입하기 위해서는 어떤 제어가 필요한지, 주입된 이온의 분포가 어떤지에 대해서 다루어보도록 하겠습니다.
[설명 1] 이온주입 공정에서의 변수에 대해서 설명하세요.
이온주입 공정에서 엔지니어가 제어할 수 있는 변수는 크게 5가지로 설명드릴 수 있습니다. 첫 번째는 바로 Dopant Type입니다. 이온주입으로 불순물을 도핑할 때, p-type 반도체의 경우 Boron, n-type의 경우는 P, As를 선택할 수 있습니다. 그 중에서도 이온 질량을 계산하여 Dopant Source를 결정할 수 있습니다.
두 번째는 단위 면적당 단위 시간당 Doping 정도인 Dose 량입니다. 단위면적당 Wafer에 주입되는 이온의 개수를 의미하며 이온 수로 나타냅니다. 이온주입 공정의 장점은 Dose를 관리해 이온의 주입량을 정확하게 제어할 수 있습니다. 단위면적당 Doping을 많이 할수록 전도도가 올라가지만, 과도핑이 될 경우, Dopant 원자들끼리 격자를 이루게 되면서 전도도가 오히려 떨어집니다. (10E11~10E15, 적정 농도).
세 번째는 Energy 입니다. 전압의 세기에 따라 이온이 가속되는 힘을 제어하며 동일 Dopant라도 Ion Beam이 갖는 Energy에 따라 Wafer에 주입되는 Depth가 달라집니다.
네 번째는 Beam Current입니다. 단위 시간당 주입되는 불순물의 양을 전기적으로 표현한 값을 말합니다. 통상 단위는 uA, mA로 표현하며, End Station에서 Beam Current의 양을 Detect하여 원하는 Dose 량에 도달하면 이온 주입이 완료가 됩니다. 주입된 이온의 양의 Uniformity를 표현할 때, Beam Current로 표현합니다.
마지막으로, End Station에서 Wafer의 Tilt, Twist, Rotation을 조절하는 것입니다. 이는 이온주입 공정에서 Uniformity를 높이며, 특히 Ion Channeling 이슈를 해결하기 위한 방법입니다.
[설명 2] Ion Channeling 현상에 대해서 설명하세요.
단결정에 이온을 주입하는 경우, 이온주입 방향이 Crystallographic Axis 결정축과 일치할 경우 그 결정축을 따라 주입되면서 원하는 깊이보다 더 깊게 주입되는 현상입니다. 이온 주입 시 발생하는 가장 대표적인 이슈가 바로 Ion Channeling 현상입니다. 일반적으로 단결정 Si 결정에 이온을 주입할 경우, 원자핵의 충돌에 의해서 에너지가 소실되고 이온정지가 일어납니다.
SIMS Profile을 통해 이온이 주입된 상태의 이온 분포를 실시간으로 모니터링할 수 있습니다. Ion Channeling 현상이 없는 경우에는 가우시안 분포를 따르지만, Channeling이 있는 경우 깊은 곳에서 이온이 존재하는 Tail 특성이 분포 상에 나타납니다. 원하는 깊이에 원하는 양만큼 주입하여 원하는 이온 분포를 나타내야 하는데, 그렇지 못하면 Target 조건에 벗어나게 되면서 전기적 특성 불량이나 수율 저하가 발생할 수 있습니다.
[세부 설명] Ion Channeling 현상 : 특정 방향에서 이온 주입은 격자에 위치한 Si 원자를 피하게 되어 이론치 보다 더 깊이 들어가는 현상입니다. 위 그림에서 보시는 것과 같이 단결정은 High Symmetry 구조로 완벽한 주기성을 가지고 원자들이 격자를 이루고 있습니다. 여기에 이온이 주입될 경우, Axis를 따라서 주입 원자들이 기존의 설정한 Depth보다 더욱 깊숙히 주입되면서 원하지 않는 Ion 분포를 가지게 되어 전기적 특성이나, Leakage, Vt의 변화 등 다양한 이슈들이 발생할 수 있습니다. 그래서 우측 그림과 같이 Wafer를 7도(Deg.)정도 Tilt를 주어 주입 이온들이 쉽게 Si 원자와 충돌하여 이온정지가 일어나도록 하는 기법들이 적용됩니다. Ion Channeling 현상
[꼬리 2.1] Ion Channeling 현상을 개선시키기 위한 방법에 대해서 설명하세요.
Ion Channeling 현상을 개선하는 방법은 크게 3가지가 있습니다. Ion 입사 빔을 수직으로 약 7도(deg) 정도 Tilt를 주어 기판 원자 사이의 공간을 기하학적으로 감소시키는 것입니다. 그러면 이온이 들어오다가 Si 격자에 부딪힐 확률이 높아지면서 Ion Channeling을 억제할 수 있습니다. 두 번째는 Si 표면에 비정질인 SiO2를 얇게 증착하여 입사하는 Ion Beam의 경로를 불규칙하게 변화를 주는 방법입니다. 이 방법의 경우에는 Deposition 공정이 추가되기 때문에 잘 사용되지는 않습니다. 세 번째는 이온주입 공정 이전에 표면을 손상시켜 마찬가지로 불규칙한 표면을 형성시킨 후에 이온을 주입하는 방법입니다. 산화막을 형성하거나 손상된 표면층을 적용하는 것은 추가공정이 요구되기 때문에 실제 양산에서 반도체 소자를 만드는 라인에 적용하기 어렵기에 Tilt 기법을 많이 사용합니다.
Ion Channeling 현상을 개선시키기 위해서 Wafer에 특정 임계각의 Tilt를 주어 공정을 진행합니다. 하지만, 이러한 Tilt 기법이 적용되면 Ion Channeling을 개선시킬 수 있으나, 국부적으로 이온이 주입되지 않는 Shadowing Effect가 발생합니다. 그 이유는 국부적으로 이온을 주입하기 위해 이전 공정에서 도포한 Blocking Mask (PR or Nitride) Layer에 의해서 Implant가 되지 않는 영역이 발생합니다. 이 영역을 'Channeling Width'라 하며 도핑이 되지 않는 영역을 의미합니다. 그래서 일반적으로 이온주입 공정에서는 Tilt Implant를 적용할 때, 4번의 방향으로 이온을 주입하게 되고, 실제 원하는 주입보다 한 번은 Shadowing Effect에 의해 3/4 정도만 주입이 됩니다. 그래서 이를 개선시키기 위해서 Wafer를 Rotation 시켜 이온을 주입한다던지 후속 Annealing 처리를 통해 도핑이 되지 않는 영역으로 이온의 Diffusion을 유도합니다.
[세부 사항] Shadowing Effect에 의해 Doping이 되지 않는 영역이 발생하고 이는 Annealing을 통해 Dopant의 Diffusion을 유도하여 개선시킬 수 있습니다. Tilt Angle Ion Implantation에서 Pattern이 형성된 Wafer에 대해서 Shadow Effect가 발생한다는 점 그리고 이를 개선시키는 방법에 대해서 숙지하시길 바랍니다.
[교육생 질문 1.] Implant 공정에서 PR만 사용하면 되는데 Nitride 와 같은 Mask가 사용되는 이유에 대해서 설명하세요.
이온주입의 장점 중 하나가 다양한 Masking 재료를 사용 가능하다는 점입니다. 특히, Implant 공정은 저온 공정이기 때문에 포토공정에서 Pattern으로 형성한 Resist 유기막이 Blocking Mask로 사용되어 선택적 Doping이 가능하다는 장점이 있습니다. 이때 SiO2나 SiN 과 같은 Layer는 Buffer Layer로 주입하고자 하는 Target 영역 표면에 얇게 Depo.하면 이온들이 Buffer Layer를 투과하여 조금 더 안정적으로 주입이 가능합니다.
오랜만에 포스팅을 진행했는데 여러분들에게 중요한 시기인 만큼 양질의 내용으로 준비하겠습니다!
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