여러분들 이온주입 공정 교육 잘 따라오고 계신가요. 포스팅을 진행할 때마다 각 파트별 썸네일 교관의 얼굴을 선택하는 것이 가장 어려운 것 같아요. 이온주입 공정 교관 얼굴은 참 순수해서 글을 작성할 때마다 미소가 절로 나네요ㅎ.
[설명 1] 이온 정지에 대한 Mechanism에 대해서 설명하세요.
이온 정지 이론은 에너지를 갖는 Ion이 Solid Target으로 주입될 때 멈추게 되는 Mechanism으로 Nuclear Collision과 전자와의 쿨롱 상호작용에 의한 Electronic Stopping Mechanism으로 구분됩니다. 이온주입 이후 두 메커니즘에 의해 가속된 이온은 에너지를 잃고 특정 Depth에서 멈추게 됩니다.
첫 번째는 결정을 이루는 원자와 충돌하면서 이온의 에너지가 손실돼 정지하는 Nuclear Stopping Mechanism입니다. 격자 원자들의 핵과 충돌하고, 충돌과 동시에 심각하게 원자들의 배열이 틀어지면서 Si 결정 구조의 Damage를 줍니다. 특히 As 같은 무거운 이온에서 에너지 손실이 더 크고, 이온 에너지에 따라 원자의 충돌에 의한 에너지 손실은 가장 무거운 As, P, B 순입니다. 이온에너지가 증가할수록 Nuclear Stopping Power가 감소됩니다.
두 번째는 쿨롱 상호작용에 의한 에너지 손실로 Electronic Stopping Mechanism 입니다. 격자를 이루는 원자들의 전자들과 충돌하면서, 입사 이온 경로가 크게 변하지는 않습니다. 에너지 전달이 매우 적고, 결정 구조 Damage는 무시할 수준입니다. 허나 가벼운 Boron이 이온에너지가 증가함에 따라서 Electronic Stopping Power가 큽니다. 이는 Coulomb's Force에 의한 것이기 때문에 에너지가 높을수록 반발력이 커서 소실되는 에너지가 큰 것입니다.
[세부 사항] As+와 같은 무거운 이온일수록, 그리고 이온 에너지가 낮을수록 Nuclear Stopping이 지배적으로 일어나고, H+, B+와 같은 가벼운 이온일수록, 그리고 이온에너지가 높을수록 Electronic Stopping이 지배적으로 일어납니다.
핵충돌에 의한 에너지 손실과 쿨롱 상호작용에 의한 에너지 손실의 교차점보다 낮은 에너지가 되면 핵충돌에 의한 에너지 소실이 지배적이게 됩니다.
[꼬리 1.1 ] Stopping Power에 대해서 설명하세요.
Stopping Power는 Ion이 Si 기판에 침투하는 동안 단위거리 당 손실된 에너지를 의미합니다. 간단하게 설명하자면, Stopping Power가 클수록 이온이 에너지를 잃고 특정 위치에서 '정지'할 확률이 높다는 것입니다. Nuclear Stopping Power는 이온의 질량이 클수록 이온에너지가 낮을수록 크기 때문에, As+이온이 작은 이온에너지로 입사될 경우 Nuclear Stopping Mechanism가 지배적으로 일어납니다. B+ 이온과 같이 작은 질량의 이온이 높은 에너지로 입사되게 되면 쿨롱 반발력이 커지면서 Electronic Stopping Power가 커지게 되면서 Electronic Stopping Mechanism이 지배적으로 일어나 이온이 정지됩니다.
Stotal = Sn + Se → Sn : The Nuclear Stopping Power, Se : The electronic Stopping Power
[설명 2] 이온분포를 설명하기 위한 Parameter에 대해서 설명하세요.
이온분포의 특성을 설명할 때에는 보통 4개의 Parameter로 표현됩니다. 첫 번째로 각각의 이온들이 멈출 때까지 이동한 거리를 Range, R. 두 번째, 주입된 이온들이 주입 방향으로의 평균 투과범위로 가우스 분포를 가지는 Projected Range, Rp. 깊이 방향으로의 통계적 변동을 나타내는 Projected Straggle, △Rp. 입사방향과 수직 분포인 Projected Lateral Straggle, △RL 입니다. 여기서 Projected Lateral Straggle을 억제하는 것이 반도체 소자를 Scaling하고 집적화 하는데 직접적인 영향을 미칩니다. 총 이동 거리인 R이 Projected Range, Rp보다 길다.
[꼬리 2.1] Ion Type에 따른 이온 분포의 특성에 대해서 설명하세요.
Projected Range, Rp는 Wafer 표면으로 주입된 이온들이 이동한 평균 투과 범위로 가우시안 분포를 가집니다. 주입 이온의 이온에너지가 높을수록 Rp는 증가합니다. 이때, 동일한 이온에너지를 인가했을 때, Dopant Type에 따라 Rp는 영향을 받습니다. 비교적 가벼운 질량의 Boron은 Si와 SiO2 Layer 구분없이 Rp가 유사합니다. 하지만 비교적 무거운 질량의 As 이온은 SiO2의 경우 비정질이기 때문에 깊이 방향으로 들어가는 것이 아니라 Scattering에 의해 분산됩니다. 그 결과 P나 B와 같은 가벼운 이온은 깊이 방향으로 이온 분포 변동인 Projected Straggle, △Rp가 큽니다. 무거운 질량의 As 이온은 Projected Lateral Straggle, △RL이 큽니다.
정리하자면 가벼운 이온은 동일한 에너지에 깊숙히 입사되고, 무거운 이온은 측면족으로 Back Scattering에 의해 튀어나오기 때문에 깊이 방향으로 덜 들어가고 수평방향으로 분산되는 특성이 있습니다. 가벼운 이온은 △RL이 작고 △Rp가 크며, 무거운 이온은 △RL이 큽니다. 따라서 이온 에너지와 Target으로 하는 Dopant 질량에 따라 평균투과범위인 Target 이온 분포를 결정할 수 있습니다.
[세부 사항] ① 이온에너지가 클수록 평균투과범위인 Projected Range, Rp가 커지고, Projected Range에서 최대 농도를 갖습니다. 그리고 점차 감소하면서 넓은 분포를 보입니다. ② 이온 Dose량이 증가할수록 평균투과범위인 Rp에서의 최대 농도 Peak가 증가하고, 분포가 더욱 넓어집니다. ③ 이온에너지가 증가하면 깊이방향으로의 이온의 농도가 증가합니다. Range, R이 증가하면서 Projected Range에서의 도핑농도 Peak가 감소합니다. 즉, 이온에너지가 높을수록 R과 Rp는 커지며, Broade한 이온 분포를 가지게 됩니다. ④ Dose를 Split 한 경우, Energy를 동일하게 인가할 때, Dose가 높을수록 Rp 지점의 도핑농도 Peak는 높아지고 분포 범위 또한 넓어집니다. ⑤ 가벼운 Ion이 무거운 Target에 Implant 될 때, (B >> Si) Back Scattering에 의해 Rp보다 더 얕은 영역에서 가우시안 분포보다 더 많이 분포하게 됩니다. 즉, Projected Range 이전 영역이 이후 영역보다 농도가 높습니다. (대칭이 아니라는 의미) 충돌에 의해 가벼운 원자는 사방으로 튕겨져 나가게 되고, 실제로 가우시안 분포가 아닌 Rp 범위보다 더 앞쪽에서 높은 농도의 분포를 가지게 됩니다. ⑥ 무거운 Ion이 가벼운 Target에 Implant 될 때는 Back Scattering이 적어 Rp 보다 더 깊은 영역에서 더 큰 농도 분포를 가지게 됩니다. 주입된 이온 분포는 가우시안 분포로 근사됨
[참고] Si와 SiO2 (Left), SiN(Right) 박막에 이온 주입 공정에서 이온에너지에 대한 Projected Range, Rp의 Reference로 현업에서 이온주입 공정 평가 때 참고자료로 사용됩니다.
[꼬리 2.2] Blocking Mask Thickness 에 따른 이온 분포에 대해서 설명하세요.
Blocking Mask Layer는 일반적으로 Photoresist, PR, SiO2, Si3N4 등이 사용됩니다. Local한 특정 영역에 이온주입을 하기 위해서는 Blocking Mask가 충분히 두꺼워야 완전히 차단할 수 있습니다. 그래서 두껍게 성장 가능하며 박막의 Density가 Dense한 재료들이 Implant에서 Blocking Mask의 소재로 사용됩니다. 이러한 재료의 결정은 Mask의 'Stopping Power'에 의해 결정됩니다. Boron이온의 100keV Implantation 재료별 Range
오늘은 이온주입 공정에서 이온분포에 대해서 다루어보았습니다. 이온주입 공정은 이온의 물리적 충돌에 의한 격자손상이 발생하게 되는데 다음은 이러한 격자손상을 Curing하고, Dopant를 Activation 시키기 위한 Annealing 공정에 대해서 다루어보겠습니다.
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