【반도체 제조 개론】 9강 - 반도체 이온주입 공정

1. 이온주입 공정의 개요

 

- 이온주입 공정 개요

 

실리콘 웨이퍼를 도핑(Doping)하여 반도체로 재탄생시키는 과정임

* 도핑이란 반도체 소재에 불순물 원소(도펀트, Dopant)를 의도적으로 주입하는 과정임

1970년 이전에는 확산 공정을 통해 반도체 도핑을 주로했지만, 1980년대 이후에는 이온 주입 공정으로 대부분 대체됨

주로 포토리소그래피 공정 이후에 진행되며, 이온주입공정 이후엔 열처리 공정에 포함되는 어닐링 공정이 필요함

 

진성 반도체(= 순수 반도체) 상태에서는 높은 저항률을 갖고 잇어 전류가 흐르지 않음, 도펀트를 첨가함으로써 자유 전자(Electron) 혹은 정공(Hole)의 농도를 높여 전도성을 향상시켜 전기적 특성을 갖게함

 

전자가 Majority Carrier인 N-type 반도체를 만들기 위해서 As, P와 같은 최외각 궤도 전자의 개수가 5개인 5가원소를 주입

정공이 Majority Carrier인 P-type 반도체를 만들기 위해서 B, Al 같은 최외각 궤도 전자의 개수가 3개인 3가 원소를 주입

 

- 이온주입 공정 예시, Self-aligned 소스/드레인 도핑 과정

 

필요한 도펀트 원소를 이온화하여 운동에너지를 만들고, 웨이퍼에 조사함

게이트와 소스/드레인 영역이 어긋남 없이 자연적으로 구분되어 형성됨(= Self-aligned)

폴리실리콘은 게이트 전극이자, 이온주입 과정에서의 배리어층으로 사용됨

이온주입 이후 이온주입으로 인한 격자 손상 회복 및 도펀트 원소 활성화를 위해 어닐링 공정이 필요함 (1000도 이상)

 

- 확산(Diffusion) 공정 단계

 

확산은 고온 공정에서 이뤄짐, 도펀트 원자는 도핑된 산화물 소스를 사용하거나, 도펀트의 기체상으로부터 증착에 의해 웨이퍼 표면 근처에 자리를 잡은 후 입자의 농도차이로 입자가 퍼지는 것을 말함

* 도펀트(dopant) : 반도체의 전기적, 광학적, 구조적 특성을 제어하기 위해 반도체에 의도적으로 첨가하는 불순물

 

확산은 predeposition과 drive-in 두 가지에 의해 진행됨

사전증착(predeposition) : 확산을 유도하기 위해 표면에 고농도 환경을 구축하는 작업

Drive-in : junction depth를 결정짓는 주요 과정으로 사전증착을 통해 substrate 푬녀에 얇게 도핑된 영역을 열처리로 아래로 확산시키는 과정임

 

 

- 확산 공정과 비교한 이온주입 공정의 특징

 

이온 주입은 확산 공정보다 도핑 과정을 훨씬 더 잘 제어하여 도펀트 농도와 접합 깊이를 독립적으로 제어할 수 있음

* 도펀트 농도는 이온빔 전류와 주입 시간의 조합에 의해 제어가능하기에 다양한 범위의 도핑 농도 제어가 가능함

* 접합 깊이는 이온 에너지에 의해 제어가능함 

이온 주입은 산화물 성장이나 식각 공정을 필요로 하지 않기 때문에 비교적 저비용임

또한 이온 주입은 상온 공정이며, 포토레지스트가 주입되는 도펀트 이온을 차단할 수 있음

확산 방식은 높은 온도에서 농도차이를 이용하기 때문에 도펀트 입자가 수직 방향뿐 아니라, 수평 방향으로도 확산되어 도펀트가 원하는 도핑영역을 벗어날 수 있음

 

2. 정지 메커니즘

 

- 정지 메커니즘(Stopping Mechanisms)

 

주입된 이온이 실리콘 기판에 충돌하여 침투하면 격자원자와 충돌하는데, 이온들은 점차 에너지를 잃고 결국 실리콘 안에서 멈춤

핵 정지 메커니즘, 전자 정지 메커니즘 두 종류가 있음

 

핵 정지 메커니즘 : 주입된 이온이 반도체 소재 내 원소의 핵과 충돌해 운동 에너지를 잃게 되는 원리로, 에너지를 얻은 격자 내 원소는 결합을 끊고 자리를 이탈하는 격자손상 발생

이러한 격자손상은 Defect을 증가시키고, 반도체의 전기적 특성을 크게 변화시키기 때문에 반드시 Curing이 필요함

 

전자 정지 메커니즘 : 주입된 이온이 반도체 소재 내 원소의 전자들과 충돌해 운동에너지를 잃게 되는 원리로, 상대적으로 약한 충돌이며 인오의 입사 경로가 거의 변하지 않음

 

총 정지 파워(단위 거리당 이온의 에너지 손실) : 핵 정지 파워(Sn)과 전자 정지 파워(Se)의 합임

정지 메커니즘의 그림은 아래와 같음

 

이온주입 공정에서 이온 에너지 레벨

초저에너지 0.1keV : Ultrashallow Junction (USJ)

고에너지 1MeV : Deep Well implantation

정지 전력과 이온 속도 사이의 관계

3. 이온 투영 범위

 

- 이온 투영 범위(Ion Projected Range)

 

높은(낮은) 이온 에너지는 기판 속으로의 깊은(얕은) 이온 침투거리를 갖음

동일한 이온 에너지를 갖더라도 동이란 깊이에 주입되진 않음

* 상이한 충돌과정(Different Ion Trajectory)로 인해 투영 범위(Projected Range)에 산포가 존재하기 때문임

이온 종류에 따라 투영 범위에 차이가 존재하는데, 동일한 이온 에너지를 가지더라도 이온들의 크기와 무게에 따라 달라짐

* 작고 가벼운 이온일수록 더 깊은 투영범위를 가짐

 

접합 깊이에 따른 이온 에너지 값에 대한 정보를 제공함

이온주입 방지층의 두께 정보 제공 가능

* 작고 가벼운 원소의 경우, 이온 투영 범위가 길기 때문에 두꺼운 방지층이 필요함

 

- 채널링 효과(Channeling Effect)

 

단결정 실리콘 기판과 같은 결정의 내부로 이온이나 전자가 입사했을 때 결정의 원자 배열에 대하여 특정한 방향으로 입사하면 특히 깊이 침입하는 현상

물질의 결정 방향에 따라 이온 투영 범위가 달라지는 특징을 가짐

단결정 물질에서는 격자 원자가 질서정연하게 배열되어 있어 특정 각도에서 많은 채널을 볼 수 있음

비정질 물질에서는 이온의 투영 범위는 정규 분포라고도 불리는 가우스 분포를 가짐

이온들이 격자와 충돌없이 내부 깊숙이 도달하면 long tail처럼 doping 산포가 길게 늘어져 깊이 분포의 예측이 어려워짐

 

해결방법

axial tilt : 각도를 기울여서 이온을 주입해 핵 정지 메커니즘에 의한 격자와의 충돌을 만들어줌, 이때 일반적으로 기울어진 각도는 7도임

하지만 shadowing effect 발생할 수 있음

* shadowing effect : tilt를 하여 이온주입 공정을 진행 시 레지스트 일부에는 이온주입이 되지 않는 현상

이온주입 공정 후 어닐링을 통한 확산 효과를 이용해 상쇄 가능

 

또는 얇은 실리콘 산화막을 통한 이온주입 법이 있음

결정성이 없는 비정질 소재의 특성 상 주입되는 이온과 충돌 및 산란 현상이 발생하여 다양한 각도로 단결정 실리콘 포면에 이온이 주입되는 효과를 주어 채널링 효과가 감소함

 

4. 결정 손상(Damage)과 어닐링(Annealing) 공정

 

- 결정 손상(Damage)

 

이온주입공정은 가속된 양이온이 격자와 충돌되면서 격자가 손상되는데, 이때 손상된 격자는 반도체의 전기적 특성을 크게 변화시키기 때문에 반드시 Curing 해주어야하며 주입된 이온을 Activation 시키기 위해서는 후속공정인 Annealing이 필수적임

 

결정 내 원소들(격자 원소)들이 얻게 되는 에너지(~25eV) > 결정 내 결합 에너지일때 격자 원소들의 이탈이 발생하여 결정 손상됨

 

결정 손상에 관여하는 요인 : 이온주입량(Dose), 주입 에너지, 주입 이온의 질량 등

 

- 어닐링(Annealing) 공정

 

어닐링 공정이란 이온주입 공정으로 결정 손상이 발생했을때, 고온의 열을 순간적으로 가해주어 주입된 도펀트 원소와 원래 격자 원소가 열에너지를 갖게하고, 가장 낮은 자유 에너지를 가질 수 있는 격자 위치로 돌아가게하는 공정을 말함

주입된 도펀트 원소는 활성화(Activation)되어 전자나 정공 제공이 가능하고, 원래 격자 원소의 경우 결정성이 복구됨

어닐링 공정의 대표적 예시로는 Furnace에 의한 열처리, 급속 열처리(RTA), Laser Annealing 등이 있음

항목	Furnace	RTP
웨이퍼	25~200여매	1매
Heating Source	외벽의 inductor coil	상부의 halogen lamp
Work Space	Quartz tube(석영 튜브)	Vacuum chamber(진공 챔버)
공정 시간	4~5시간	1분 이내
특성	외벽 coil로 furnace 전체를 가열 외벽과 내부 웨이퍼의 열적 평형요구	다양한 형태의 heat 가능 source 사용 가능(진공이라서)
장단점	다수 웨이퍼 처리 가능 외부 오염에 취약(진공X) 높은 에너지와 긴 처리시간 필요 공정 제어가 어려움(열제어 어려움)	낮은 에너지 소모량 웨이퍼 한번에 1매 처리로 생산성 낮음 공정, 주변환경 제어가 용이함
wall type	Hot wall	Cold wall
온도 변화율	작음	큼
온도측정 방식	Furnace 내부 온도 측정방식	웨이퍼 표면 온도 측정방식

 

자세한 내용은 https://sshmyb.tistory.com/211 참고

 

5. 이온주입 응용 분야 예시

 

- Well 이온주입 공정

 

CMOS 공정에서 n-well, p-well를 만들 때 사용함

비교적 깊은 접합 깊이를 가지는 우물(Well) 형태의 도핑 영역을 만드는 과정으로 고에너지 이온주입 공정이 필요함

B를 도핑하면 p-well, P를 도핑하면 n-well이 됨

 

- 문턱전압(Threshold Voltage, Vt) 조절 이온주입 공정

 

MOSFET 소자 특성에서 중요한 파라미터인 Vt를 조절하기 위한 이온주입 공정

문턱전압(Vt)은 트랜지스터 소자가 동작을 시작하는 시점의 전압으로 Well 영역 위에 추가적인 도핑을 하는 과정임

P-well 위에 P도핑, N-well 위에 N도핑

저에너지-고농도 이온주입 공정임

Vt를 결정하는 요인으로는 캐리어 농도가 있는데, 도핑 농도를 높여 자유전자 혹은 정공의 농도를 높여 문턱전압을 조절함

 

- 폴리실리콘 도핑(Poly-dope)용 이온주입 공정

 

폴리실리콘의 전도도를 증가시키기 위한 많은 양의 도핑이 필요함

폴리실리콘 게이트로 사용됨

*최근에는 여러 이유로 Poly-Si에서 Metal로 회귀했다고 함

*폴리 실리콘은 Metal에 비해 녹는점이 높아 안정적인 동작이 가능하며 공정 프로세스 사용의 범위가 넓어짐

*Poly-Si의 농도를 조절하여 Threshold Voltage를 조절할 수 있음 

PMOS의 경우 강한 p도핑이, NMOS의 경우 강한 n도핑이 필요하여 저에너지-고농도 이온주입 공정이 실행됨

고농도의 도핑이 필요하므로 플라즈마 도핑기법을 사용하기도 함

 

- SDE(S/D Extension) 이온주입 공정

 

소스/드레인 영역의 표면 부근에 실시된는 이온주입 공정으로 저에너지-저농도 이온주입 공정임

이후 고농도 이온주입 공정인 소스/드레인 영역 형성을 위한 버퍼 용도

작은 Feature Size로 인한 핫 캐리어 생성 방지 용도

 

- S/D(Source/Drain) 이온주입 공정

 

소스/드레인 영역 형성을 위한 고농도 이온주입 공정으로 MOSFET 제작을 위한 마지막 이온주입 공정임

저에너지-고농도 이온주입 공정이 실행됨

측벽 스페이서(Sidewall Spacer) 형성 이후에 진행되어 고농도 도핑된 S/D 영억을 채널 영역으로부터 떨어질 수 있도록 해 핫 캐리어 생성을 방지함

*핫캐리어란 높은 에너지(운동에너지)를 갖고 있는 carrier를 말함

*너무 높은 에너지를 갖게되면 전위장벽을 넘어 MOS구조에서 반도체에서 oxide로 전자가 이동할 수도 있게됨

*side wall(=spacer)은 게이트 단자의 사면을 side wall 형태로 둘러싼 절연막으로 이온주입의 방패막 역할을 함

side wall 관련 자세한 내용은 https://m.blog.naver.com/gkho9512/222024194758 참고