여러분들 이미 반도체 소자 카테고리에서 SCE를 억제하기 위해서 Junction Depth를 Shallow 하게 만드는 것이 얼마나 중요한지에 대해서 다루어 보았습니다. 오늘은 Shallow Junction Depth Profile을 구현 내용에 대해서 다루어보도록 하겠습니다.
[질문 1] Shallow Junction Depth Profile의 중요성에 대해서 설명하세요.
Gate CD (Critical Dimension)이 작아짐에 따라 Vt의 산포 관리가 어려워지고 있습니다. 이는 Leakage Current를 증가시키고 Leakage 성 Fail에 의해 수율 저하로 이어지는 심각한 이슈를 야기합니다. Gate CD를 줄인다는 것은 반도체 소자를 미세화시키고 소형화하는 단계입니다. 그럼에도 불구하고 Vt roll-off 현상과 함께 Leakage가 증가하여 소자의 Static Power를 증가시킵니다. (Off 상태에서도 열이 크게 발생함) 이를 최소화시키기 위해서는 Shallow Junction Depth가 요구됩니다. 이를 구현하기 위해서는 이온 주입 이후에 후속 열처리 공정에서 확산거리를 매우 짧게 가져가야 합니다. 그래서 더욱 고온에서 Annealing 시간이 짧아지고 있으며, RTP, Laser Annealing 기술들이 개발되고 있습니다. 하지만 Shallow Junction Depth Profile은 저항성분이 증가하여 소자의 Durability, Drive Current가 작아지면서 소자의 Performance가 저하되는 이슈가 발생합니다. 그래서 Rs 증가 부분은 주입된 이온의 충분한 활성화를 시킬 필요가 있습니다. (그러면 더욱 고온이 요구되고 이는 확산거리가 증가하기 때문에 더 짧은 열처리 시간이 요구 됨). 따라서 Shallow Junction Depth를 구현하기 위해서는 고온에서 짧은 시간의 열처리가 요구됩니다.
여러분들 소자 Dimension이 작아짐에 따라 Leakage 성 Fail에 의한 수율 저하를 억제하기 위해 Shallow Junction Depth를 다루었던 내용을 다루었었습니다. 하단 링크를 참고해주세요.
[세부 사항] "이 부분에서는 CMOS Process Flow에서 자세히 다루도록 하겠습니다." 여러분들이 반도체 업계에서 특히, 공정 엔지니어 직무를 수행하고 있다면 Process Flow를 달달 외우고 있어야 합니다. 아래에는 CMOS 공정을 간략하게 설명드리면서, Implant 공정이 얼마나 많이 적용되는지 작성해보았습니다. 참고만 하세요!. Process Flow Part에서 더욱 자세히 다루도록 하겠습니다. CMOS 공정에서 Transistor을 제작하기 위해서는 먼저 소자와 소자 사이를 격리시키기 위해 Isolation 공정이 요구됩니다. 소자를 제대로 Isolation 시키기 위해서 중간에 Field Oxide (E-Field만 작용하는 절연층)를 중간에 형성합니다. 이후에 Well과 Vt를 제어하는 Implant를 진행합니다. PW과 NW을 형성한 후 선택적으로 Channel Implant를 진행한 후, Gate Oxide 형성을 위한 Oxidation을 진행합니다. Gate Oxide를 성장한 후, 후속의 Gate Electrode인 Poly 공정을 진행합니다. 그리고 Poly-gate의 전도성 향상을 위해 Doping 공정을 진행합니다. 그리고 이온주입의 후속공정으로 Annealing 공정을 통해 Activation 시킵니다. 그 이후에 Hot Carrier Effect와 같은 SCE 효과를 억제하기 위해 LDD 공정, Halo Doping을 위한 Side Implant를 진행합니다. 그리고 Gate Side에 Spacer를 형성하고 Spacer 양 옆으로 Source와 Drain Contact 영역을 만들어줍니다. Gate 전극과 Source/Drain을 형성하고 그 사이에 LDD Implant와 소자를 감싸는 Well을 Implant 함으로써 전체 CMOS 공정 내 이온주입이 완료됩니다. 이온 주입이 종료되면 다시 후속 공정으로 Source/Drain까지 형성한 후에 RTP로 Annealing 공정을 진행합니다. Gate와 Source/Drain은 High Dose로 1E15 이상 Dose를 때리기 때문에, 상당히 높은 온도(1,000℃)에서 열처리가 진행되어야 이온이 활성화되고 격자손상이 Curing됩니다. 그리고 Contact 부분에 Contact Resistance를 낮추기 위해 Contact Implant를 진행하는데, 정말 상당히 많은 Implant 공정이 존재하는 것을 알 수 있습니다.
[질문 2] Shallow Junction Depth Profile 제조하기 위해 고려해야 할 사항에 대해서 설명하세요.
Shallow Junction Depth Profile을 구현할 때에 무거운 이온은 가벼운 이온보다 분포 특성상 표면에 더 존재합니다. (이전 교육에서 무거운 질량의 이온은 Nuclear Stopping Mechanism이 지배적이기 떄문) 낮은 이온에너지로 주입할 경우 깊이 방향으로 덜 들어가기 때문에 이를 고려하면 Shallow Junction Depth 구현이 가능합니다. 동일한 이온에너지를 가지고 이온을 주입할 경우, Boron과 BF2로 이온을 주입할 때, 질량이 더 큰 BF2가 Boron보다 표면에 분포하는 특성을 보입니다. 가벼운 Boron은 깊이 방향으로 더 깊고 Broad하게 분포하는데, 같은 원리로 As와 B를 동일한 가속 에너지로 주입할 경우, 무거운 As 이온이 표면에 높은 Peak 농도로 분포합니다. 이 원리를 적용하여, 같은 Dopant Type이라도 Ion Source를 달리하여 Shallow Junction Depth를 구현할 수 있습니다.
[꼬리 2.1] Shallow Junction Depth Profile 제조하기 위해 이온에너지 관점에서 설명해주세요.
이온에너지가 클수록 깊이 방향으로 더욱 깊숙히 이온 분포가 나타납니다. As을 1KeV와 5KeV로 이온에너지를 Split 하여 주입한다고 할 경우, 5KeV 대비 1KeV은 표면의 Shallow 분포 특성을 가지게 됩니다. 특히, 가벼운 질량의 이온을 가지고 원하는 Profile을 구현할 때, 설비 Spec 상 낮은 에너지를 가지지 못할 경우가 있습니다. Shallow Junction Depth를 구현하기 위해서는 작은 에너지가 요구되는데 작은 에너지를 정확하게 제어하는 것은 매우 어렵습니다. 그래서 조금 더 무거운 질량의 이온 소스를 사용하여 이온에너지를 높여 Shallow Junction Depth를 구현할 수 있습니다. (무거운 이온은 깊이 방향으로 덜 들어가는 특성). 따라서 Shallow Junction Depth를 만들기 위해서는 무거운 이온을 주입, 낮은 이온에너지 등이 엔지니어가 제어할 수 있는 요소라고 할 수 있습니다.
[질문 3] Shallow Junction Depth Profile 제조하기 위한 열처리 기술에 대해서 설명하세요.
미세화 트랜드에 따라서 점점 더 얇은 Junction Depth를 구현하기 위해 Annealing 기술이 개발되고 있습니다. 확산거리를 최소화하고, Activation을 높이기 위해서 열처리 온도는 높아지고, 시간은 짧게 하는 방향으로 발전하고 있습니다. 온도를 높일수록 Activation 정도를 높일 수 있습니다. 하지만 온도가 높아질수록 확산거리가 증가하기 때문에 LSA와 같은 Laser Annealing 기술로 원하는 Junction Depth 부위에만 국부적으로 열처리하는 기술들이 요구됩니다. 그래서 초기의 Furnace → RTP → FLA → LSA 단계로 확산을 줄이고 활성화를 증가시키는 열처리 기술들이 채택되어 적용되고 있습니다.
여러분들 이온주입 공정은 이 정도 수준으로 마치도록 하겠습니다. 혹시 이해가 안되는 부분이나 잘못 기술한 내용에 대해서는 피드백 부탁드립니다. 이온주입 공정에서 특히 다루지 않은 부분들이 있긴 한데, 그 부분에 대해서 말씀해주시면 추가적으로 다루도록 하겠습니다.
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