지난 교육에서는 이온주입 공정 이후 격자 결함과 Annealing의 필요성 그리고 종류에 대해서 다루었습니다. 오늘은 이론적인 내용에 대해서 심도있게 다루어보겠습니다.
[질문 1] Annealing 조건에 따른 이온 분포에 대해서 설명하세요.
후속 공정인 Annealing 조건에 따라서 주입된 이온의 분포의 특성 차이가 나타납니다. 과속 증속 확산 (Transient Enhanced Diffusion, TED)에 대해서 설명드리겠습니다. TED 현상은 Annealing 과정에서 원하지 않는 Dopant Diffusion이나 Defect Cluster 형성이 발생되는데, 저온에서 원하지 않는 이온 분포가 발생하며, Activation이 감소하는 현상입니다. Annealing 조건의 2가지 Case로 설명드리겠습니다. 저온에서 장시간 열처리를 할 것인가, 혹은 고온에서 단시간에 열처리를 할 것인가. 정답은 고온에서 짧은 시간의 열처리를 하는 것이 TED 현상을 개선하는 데 효과적입니다. 그래서 TED 현상을 억제하기 위해서는 일반적으로 Furnace가 아닌 RTP 공정이 적용됩니다.
[세부 설명] Transient Enhanced Diffusion, TED 위 Graph를 보시면 800℃에서 2분 열처리를 한 분포와 1,000℃에서 10초라는 짧은 시간 동안 열처리를 한 Dopant Profile입니다. 그림에서 보다시피 800℃에서 2분 열처리를 할 경우 Peak 값이 낮아지고 깊이 방향으로 깊히 분포하는 특성을 볼 수 있습니다. 고온에서 짧은 시간동안 열처리 한 분포는 Peak 값은 유지하면서 깊이 방향으로 덜 확산한 Profile이 나타납니다. 저온에서 열처리할 경우, 격자손상이 회복되는데 오랜 시간이 필요합니다.
이때, 이온 주입에 의해 생긴 실리콘 격자 내 Point Defect, Si-interstitial에 의해서 열처리 공정 시 이온들이 기판 속으로 확산됩니다. 특히, Si-interstitial이 들어갈 때, 주입 이온도 같이 확산돼서 들어가면서 이온들의 확산속도가 증가하게 됩니다. Boron의 경우는 그 정도가 심합니다. 이 현상이 바로 Transient Enhanced Diffusion, TED 현상입니다.
과도하게 원하는 깊이보다 더 깊게 들어가면서 원하지 않는 Dopant Profile 특성을 보이며, 이는 Junction Depth가 깊어지면서 Leakage Current에 의한 수율 저하, 소자 Scaling 및 집적도 향상에 악영향을 미칩니다. 따라서, TED 현상을 개선시키기 위해서 고온에서 짧은 Annealing 기술이 요구되는 것입니다.
[질문 2] 산화 강화 확산 (OED) & 산화 지연 확산 (ORD)에 대해서 설명하세요.
OED는 Oxidation Enhanced Diffusion으로 이온 주입 후 산화 분위기에서 Annealing 할 경우, Si이 산화되는 속도에 비례하게 Point Defect이 Si 내부로 주입되면서 확산속도를 증가시키는 현상입니다. ORD는 Oxidation Retardation Diffusion으로 산화에 의해 확산이 지현되는 현상입니다. Boron과 Antimony 이온 Source가 있을 때, 불활성 기체 N2에서 열처리와 O2 분위기에서 열처리하는 경우 분포 특성이 크게 달라집니다. Boron의 경우, OED 현상에 의해 깊이 방향으로 깊숙히 이온분포가 나타나는 반면, 안티몬은 산화분위기에서 ORD 현상에 의해 열처리할 경우 Peak 농도가 높고 깊이 방향으로 덜 분포하는 특징이 나타납니다. 따라서 이온 주입 이후, 분위기에 따라 열처리 시 Dopant Profile이 달라지기 때문에 적절한 열처리 조건을 잡아야 합니다.
[세부 사항] Oxidation Enhanced Diffusion (OED) vs. Oxidation Retardation Diffusion (ORD) 일반적으로 Oxidation는 평형상태에서 Interstitials (Ci)를 증가시키고, Vacancies (Cv)를 감소시킵니다. Oxidation에 의해 확산속도가 크게 달라지게 됩니다. OED는 산화 분위기에서 열처리할 때, 산화되는 속도에 비례하게 확산속도가 증가하는 현상이고, ORD는 산화에 의해 확산속도가 지연되는 현상입니다. Boron의 경우 앞서 설명드린 것 처럼 산화분위기에서 열처리할 경우 Peak 농도는 낮아지고 깊이 방향으로 깊게 이온들이 분포하는 특성이 나타납니다. 그 이유는 산화에 의해 여분의 Si이 발생합니다. 이는 Si-Interstitial 증가됨을 의미합니다. 격자의 Vacancies에 여분의 Si 원자들이 Diffusion 하면서 메꾸게 되기 때문에 Si-Interstitial이 증가하고 Vacancies가 감소된다고 말씀드린 것입니다. Si-Interstitial은 Point Defect으로, 이 점결함이 확산되어 들어갈 때 Boron 또한 함꼐 Diffusion 되면서 깊이 방향으로 깊게 Boron의 Dopant Profile이 나타나는 것입니다.
그와 반대로 안티몬은 산화 분위기에서 열처리할 경우 Peak 농도가 높고 깊이 방향으로 덜 분포됩니다. Antimony는 상대적으로 무거운 이온이기 때문에 Si에서 상대적으로 낮은 확산계수를 가집니다. 그러므로 안티몬은 As 이온보다 n-type Doping에서 Shallow Junction Depth에 더욱 접합합니다. 산화 분위기에서 열처리할 경우, SiO2/Si의 경계효과가 안티몬 확산에 영향을 주어 ORD 현상이 나타납니다. (이런게 있다는 것만 알고 넘어가세요~)
따라서, 이온주입 이후에 산화분위기 혹은 불활성 기체에서 열처리하냐에 따라 이온 분포 특성이 달라지기 때문에 이를 고려하여 적절한 열처리 조건을 선정해야 합니다.
[꼬리 2.1] 산화 분위기에서 이온 재분포를 설명하세요.
Si에 주입된 Dopant(B, P, As 등)는 고온에서 산화 진행 시 이온의 재분포가 일어납니다. 특히 Oxide와 Silicon이 만나는 Si/SiO2 경계면에서의 이온 재분포는 소자의 Threshold Voltage, Vt에 심각한 변동을 일으키므로 반드시 고려되어야 하는 사항입니다. Si에 Boron이 주입된 상태에서 열산화 공정을 진행하면, Boron은 Oxide 쪽으로 많은 양이 빠져 나가게 되고, P나 As는 Si Surface에 Pile up 되면서 Oxide로 빠져나가는 양은 거의 없습니다.
이것이 산화 분위기에서 열처리할 때, 이온 분포가 변하는 가장 큰 이유입니다. Boron은 Interface에 Peak 농도가 낮아지고 Oxide Layer에는 Boron 농도가 증가합니다. (Oxide Layer로 빠져나감) 반대로 P, As는 균일하게 Si Surface에 Doping 되어 있다가 후속 열처리 공정 이후 기판 표면에 P, As가 Pile up 되면서 농도가 증가합니다. (Oxide로 빠져나가지 않고 쌓임). 이 부분은 Channel Implant를 진행할 떄, Vt에 큰 영향을 미칠 수 있기 때문에 공정 조건을 잡을 때, 반드시 고려해야 하는 중요한 조건이라고 할 수 있습니다.
[꼬리 2.2] 산화 분위기에서 이온 재분포가 소자공정에 미치는 영향에 대해서 설명하세요.
산화 분위기에서 열처리 할 경우, Boron은 Oxide Layer로 빠져나가면서 Interface에서 Peak 농도가 감소하고, P, As는 Pile up 되면서 Peak 농도치가 증가하는 현상이 나타납니다. 이는 매우 중요한 이슈입니다. 일반적으로 CMOS 공정에서 Active Device인 NMOS, PMOS를 제조할 때, 각각의 Active Region을 Open하고 Implant를 진행합니다. 각 Active Device에 Implant는 각각 진행했지만, Implant 이후 Oxidation을 동시에 진행하기 때문에 Interface에서 Boron 쪽은 농도가 낮고, P, As 쪽은 농도가 높아지는 이슈가 발생합니다. 그 결과 Oxidation으로 인해 Vt의 변동이 심각한 상황이 발생합니다. 따라서 이온주입 이후에 특히 Vt Implant를 한 뒤에 후속 Oxidation 할 때, 분포 특성이 달라지기 때문에 공정 레시피를 작성할 때 반드시 고려해야 하는 핵심 사항입니다.
[꼬리 2.3] 산화 분위기 말고 질화 분위기로 하면 되잖아요.
산화분위기에서 열처리를 진행할 때는 산화되는 영역과 산화되지 않는 영역에서의 Boron 분포가 달라집니다. 산화영역에서 더 깊게 확산되는 특성을 보입니다. Phosphorus 역시 산화분위기에서 확산이 증진되고, 질화 분위기에서는 안티몬(Sb)의 확산이 증진됩니다. 우리는 Implant 할 떄, Blocking Mask로 SiO2 혹은 Nitride Layer를 사용합니다. 동일한 조건에서 이온을 주입했지만, 분위기에 따라 Dopant Profile이 크게 달라집니다. 따라서, 우리는 공정을 설계할 때, 공정온도, 공정시간, 열처리 분위기 등 다양한 공정들을 모두 제어할 필요가 있습니다.
[세부 사항] 산화 분위기와 질화 분위기에서의 확산 열처리 조건에 따라서 동일한 분포 특성이 나오는 것이 아니라, Nitride Layer가 있느냐 없느냐에 따라 분포 특성이 다르게 나타납니다. Boron이 주입된 상태에서 후속 Oxidation 처리를 하면, Nitride Layer가 없는 영역에서만 Oxidation이 일어납닌다. 이때, Oxidation 영역과 그렇지 않은 영역의 Doping Profile을 보면 Oxidation 된 영역에서는 Peak 농도가 떨어지고 깊이 방향으로 더 깊게 Broad 하게 분포합니다. Nitride가 Blocking한 영역은 Peak치가 높고, 깊이 방향으로 덜 분포합니다.
이렇듯 동일하게 이온을 주입했지만, Oxidation 영역과 아닌 영역에 따라 분포 특성이 크게 달라집니다. P 같은 경우도 Boron과 유사하게 Oxidation이 된 부분과 아닌 부분의 분포 특성이 달라집니다. 폭이 좁아지면 좁은 만큼 깊이 방향으로 더 깊숙히 이온 분포가 재분포됩니다. NH3를 이용해서 Antimony (Sb)를 열처리할 경우, P와는 달리 동일하게 NH3에 해당하는 만큼 기판 방향으로 이동합니다. 면적이 작아질수록 들어가는 깊이도 작아집니다.
어떤 분위기에서 열처리를 하냐에 따라 주입된 이온 분포가 확실하게 달라집니다. 그래서 이온주입을 하고 난 후 어떤 분위기에서 어떤 소스로 어떤 특성이 나타나는지를 명확하게 알아야만 후속 공정 조건을 잡는데 유리할 수 있습니다.
[질문 3] 이온주입 이후 공정이슈에 대해서 설명하세요.
이온주입 이후 공정이슈는 크게 3가지로 볼 수 있습니다. 첫 번쨰는 Wafer Charging입니다. 일반적으로 Wafer에 주입된 이온은 Positive Charge를 띱니다. 이는 Wafer에 Charging Effect를 야기합니다. 그 결과 Non-uniform Dopant Profile이 형성됩니다. 또한 Gate Oxide를 파괴하면서 저수율을 초래합니다. 이러한 이유로 Charging Effect를 제거하기 위해 Electron을 공급하여 중성화를 시킵니다. 중성화 하는 방법은 Plasma Flooding System이나 Electron gun, Electron Shower 방법이 적용됩니다. 두 번째는 Particle 오염입니다. Large Particle은 Ion Beam을 막을 수 있으며 특히, Low Energy로 주입되는 Vt implant, LDD, Source/Drain Implant에서 불완전한 Dopant Junction을 초래하여 수율을 저하시킵니다. 세 번째는 Elemental 오염입니다. 서로 다른 원소임에도 Mass/Charge Ratio가 같아서 Analyzer가 분리하지 못해, 특정 원소가 Heavy Metal Contamination을 초래합니다.
여러분들 오늘은 이온주입 공정에서 공정조건을 잡기 위해 고려해야 할 사항들에 대해서 다루어보았습니다. 다음에는 이온 주입을 평가하는 방법에 대해서 다루어보도록 하겠습니다.
오늘 여러분들 중에 좋은 소식을 가진 분들과 그렇지 못한 분들이 있는 것으로 알고 있습니다. 좋은 소식을 들은 분들은 더욱 더 업무와 역량개발에 정진하시고, 그렇지 못하신 분들 또한 포기하지 마시고 자신의 선택한 길이 틀리지 않았다는 것을 증명하길 기원하겠습니다.
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