Ion Implant 공정은 가속된 양이온이 격자와 충돌되면서 격자가 손상됩니다. 손상된 격자를 Curing하고, 주입된 이온을 Activation 시키기 위해서는 후속공정인 Annealing이 필수적입니다. 여러 Type의 Annealing 기술이 개발됐는데, 미세 트랜드에 따라 어떤 Annealing 기술이 적용되고 채택되었는지 다루어보도록 하겠습니다.
[질문 1] Ion Implant Damage 대해서 설명하세요.
에너지를 가진 이온들이 규칙적인 원자핵들과의 충돌, 전자와의 상호작용에 의해 정지하면서 격자 내부에 분포합니다. 이때, 원자핵 충돌에 의해 결정 격자 위치에서 벗어나 손상이 발생하는 '격자손상'(Lattice Damage), '격자 혼란(Lattice Disorder)'가 발생합니다. 위치를 벗어난 핵들이 입사에너지의 상당 부분을 차지할 수도 있어, 인접 핵들의 위치를 차례로 벗어나게 하여 추가적인 격자 손상이 발생합니다. 이러한 격자손상은 Defect을 증가시키고, 반도체의 전기적 특성을 크게 변화시키기 때문에 반드시 Curing 해주어야 하며, 주입된 이온을 활성화시키기 위해서는 후속 Annealing 공정이 필수적입니다.
[꼬리 1.1] 이온의 질량에 따른 격자 손상에 대해서 설명하세요.
가벼운 질량의 Boron이 주입될 경우, 격자 손상을 일으키지 않는 전자의 상호작용으로 많은 에너지를 잃으며 결정 깊숙히 이동합니다. 이때, 이온에너지가 Nuclear Stopping Power와 Electronic Stopping Power의 교차점 에너지 이하로 감소하게 되면 원자핵 충돌에 의한 정지가 지배적이게 되면서 격자손상이 발생합니다. 즉, 가벼운 질량의 이온은 Si 기판 깊숙히 종단 부근에서 격자손상이 발생합니다. As와 같은 무거운 이온이 주입될 경우, 에너지 손실의 주된 원인은 원자핵과의 충돌입니다. 무거운 이온이 원자핵과 충돌할 경우 심한 격자손상을 유발하며, 심지어 비결정질 상태로 만들게 됩니다.
[세부 사항] 가벼운 이온인 Boron과 무거운 As에 의한 격자손상에는 차이가 있습니다. 가벼운 이온인 Boron을 주입할 경우, Nuclear Stopping Mechanism이 아닌, 전자 상호작용에 의한 Electronic Stopping Mechanism이 지배적입니다. 따라서, 기판 깊숙히 이동하게 되고, 어느 정도 이온에너지가 손실 되다가 Nuclear Stopping Power와 Electronic Stopping Power가 교차하는 점 이하의 에너지에서 원자핵 충돌에 의한 에너지 소실이 지배적이게 됩니다. 즉, 깊숙히 이동한 후 에너지가 소실 되면, 마지막에 원자핵과의 충돌에 의해 이온이 정지하게 된다는 것입니다. 이때, 결정 손상이 발생하는데 Boron의 경우는 Depth가 깊은 곳에 Damaged Region이 형성됩니다. As와 같은 무거운 입자는 Nuclear Stopping Mechanism이 지배적이기 때문에, 주입과 동시에 표면 부근에서 원자핵과 충돌하여 격자손상을 일으킵니다. 그래서, 기판 표면 부근에서 Damaged Region이 형성되며 질량이 큰 무거운 원자이기 때문에 격자손상의 정도가 심하다고 할 수 있습니다.
Implanted Ions은 격자원자로 에너지가 전달되는 데 이때, 원자들의 격자 깨짐으로 Free 원자가 발생합니다. 이는 이온에너지의 상당 부분을 전달받은 원자들로, Free 원자가 다른 격자 원자들과 충돌하여, 모든 Free 원자들이 Stop할 때까지 Lattice Damage는 지속됩니다. 가속된 에너지를 가지는 하나의 이온은 수천개의 격자 원자들의 격자 손상을 초래할 정도로 에너지가 막강하다고 할 수 있습니다.
심할 경우, 이온이 격자 원자들과 충돌 후 격자원자들을 Grid에서 이탈시켜 기판의 Implant 영역이 Amorphous 구조로 바뀌게 됩니다.
[질문 2] 격자 손상을 개선하기 위해서 어떻게 해야 하는지 설명하세요.
Implant 공정에 의해 발생한 격자손상을 회복하기 위해서는 Annealing 공정을 진행해야 합니다. Annealing 공정을 통해 Strain, Defect을 줄이고, 결정성을 회복, Carrier Mobility (Impurity Activation)를 회복시킬 수 있습니다. 고온에 의한 열적 에너지는 Amorphous 결정을 Single Crystal 구조로 회복시킬 수 있습니다. 일반적으로 400-1,000℃ 범위에서 진행되며, Carrier Mobility, Dopant Activation, Leakage Current, Carrier Life Time의 관계를 통해 개선 여부를 평가할 수 있습니다. (Annealing 온도가 높을수록 Leakage Current가 감소합니다.)
① 450℃ : 부분적 활성호, 부분적 손상회복 ② 600℃ : Epi Layer의 Recrystalization, 비정질의 부분적 활성화, ③ 900℃: 고농도 Boron 주입의 완전 활성화, Carrier Mobility 완전 회복 ④ 1,000℃ : Minority Carrier의 Life Time 완전 회복
※ 단답 "Annealing의 목적은 에너지를 가진 이온들의 강제 주입에 의한 격자 손상을 회복시키고, 주입된 이온들의 활성화입니다."
[꼬리 2.1] Furnace에 의한 Annealing 특징에 대해서 간략하게 설명하세요.
Annealing Type에는 대표적으로 Furnace에 의한 일반 열처리, 급속 열처리 (RTA), Laser Annealing이 있습니다. Furnace를 이용한 일반적인 Annealing은 보통 Dopant Type과 Dose량의 영향을 받습니다. Boron의 경우 많은 이온이 주입될수록 고온이 요구됩니다. Phosphorus는 1E15 이상의 Dose에서는 Boron과 달리 낮은 온도에서도 Activation이 가능합니다. 이는 Solid Phase Epitaxy 성장 때문입니다. Annealing 온도는 30분의 열처리로 주어진 Dose에서 주입된 이온의 90%가 활성화 될 때의 온도로 정의 합니다.
따라서, 이온주입 이후 열처리를 할 때에는 Dopant Type이 무엇인지, Dose가 얼마인지에 따라 Annealing Temp.와 Time을 결정해야 합니다. 최종적으로 원하는 Junction Depth를 구현하기 위해서는 어떤 Dopant로, 얼마만큼의 Dose로, 어느 정도의 Depth 만큼, 얼마의 양만큼 때리고, 후속의 열처리를 얼만큼 할 것인지 결정해야 합니다. 이는 Active Device의 Threshold Voltage와 같은 핵심 특성이 달라지기 때문입니다.
Furnace에 의한 Annealing은 장시간 열 노출에 의해 Dopant 원자의 확산거리가 길어지면서 넓은 확산 깊이를 갖기 때문에, 소자 Scaling과 집적화에서는 매우 취약한 기술입니다.
[꼬리 2.2] Rapid Thermal Annealing, RTA 특징에 대해서 간략하게 설명하세요.
RTA는 급속열처리 기술로 할로겐 혹은 아크 램프가 장착된 RTP (Rapid Thermal Process)를 이용한 단시간 열처리 방법입니다. 공정온도는 600-1,100℃에 아주 짧은 시간 동안 Target 온도까지 승온시켜 열처리를 할 수 있습니다. Wafer의 온도는 비접촉 광학 고온계인 Pyrometer로 측정하며, Wafer를 중심으로 위아래 램프로 빛을 쏴주어 열처리를 합니다. Funrace 보다 RTP의 온도가 더 높지만, 열처리 시간은 짧습니다. IR의 고에너지 소스에 의해 단시간 노출 시키므로 확산 및 Profile 제어에 관해 매우 우수한 특성을 가집니다.
[꼬리 2.3] Laser Annealing의 특징에 대해서 간략하게 설명하세요.
Laser Annealing은 고에너지의 레이저를 이용한 신속한 Annealing 기술입니다. Laser의 유효 Beam Size는 50um X 1mm 정도이며, 국부적인 영역에 순식간의 고온의 열처리를 진행하기 때문에, 얇은 확산층 형성이 가능합니다. 고에너지의 Laser Beam을 이용한 Annealing의 장점은 50nsec 정도의 신속한 Annealing을 진행하는데, Beam 유효 치수가 매우 좁습니다. 그래서 Laser Annealing은 기판의 표면에 Junction Depth를 매우 얇게 가져가기 때문에 Shallow Junction Depth 구현이 가능하며, Short Channel Effect를 억제하기 위해 Laser Annealing 같은 다양한 Annealing 기술들이 계속해서 연구중에 있습니다.
[세부 정리] 일반적인 Furnace는 Wafer가 MAX로 150장 까지는 가능한 것으로 알고 있습니다. 반면에, RTA와 Laser Annealing은 Wafer 한 장 씩 진행이 가능하며, 공정 시간은 Furnace > RTA > Laser Annealing입니다. 공정 시간은 짧지만 Throughput을 높이기 위한 설비의 개발이 요구됩니다. 또한 Laser Annealing의 경우 국부적인 영역에 고온을 가하므로 박막간의 Stress를 받을 수 있습니다. 이러한 Stress로 인해 후속공정인 포토 공정의 Overlay 이슈를 야기할 수도 있습니다.
Laser Annealing의 가장 큰 장점은 이온주입 후나 열처리 후나 이온 분포의 Profile의 거의 유사하게 유지된다는 점입니다. Annealing Time이 길어질수록 이온 분포가 Broad 해지면서 Leakage가 증가하고 소자 소형화 및 집적화에 악영향을 미친다고 말씀드렸습니다. 이러한 이유로 원하는 Profile을 구현하기 위해서는 Annealing 기술들이 지속적으로 연구되는 이유입니다.
RTA도 지속적으로 연구되면서 Soak RTP , Spike RTP , Flash Lamp Annealing, FLA, Laser Spike Annealing, LSA 등이 있습니다. 이 중 공정 시간이 긴 순서대로 나열하면 Soak RTP > Spike RTP > FLA > SLA 순입니다. Soak RTP의 경우 표면에서부터 깊숙한 부분까지 열이 전달됩니다. Spike STP는 살짝 표면. FLA는 더 작은 유효 면적, LSA는 Beam Size에 맞게 국부적인 부분만 Annealing이 가능합니다.
① Annealing Type : RTA > FLA > LSA ② Junction Depth : FLA < Spike RTA @ Boron
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