[이온주입공정]-기본편

저번 포스트에 이어 이번에는 이온주입공정(Ion-implantation)에 대해 알아보자.

 

기존의 확산공정을 통한 도펀트의 주입으로 외인성 반도체(Extrinsic semiconductor)를 만드는 원리에 대해 저번 포스트를 통해 알아보았다.

 

하지만 기존 확산공정은 확산되는 도펀트에 대해 원하는 만큼의 깊이와 방향을 조절할 수 없었다. 이온들이 등방성으로 확산되었기 떄문이다. 이러한 문제점들을 해결하기 위해 고안된 방법이 이온주입공정(Ion-implantation)이다. 간단히 이야기 하면 강한 에너지로 이온을 실리콘 결정 사이에 찔러 넣는다고 생각하면 된다. 해당 과정에 대해 자세히 알아보자.

 

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이온주입공정(Ion-Implantation)란 무엇인가?

 

: 반도체에 전도성을 부여하기 위해 웨이퍼에 불순물을 주입하는 공정으로 이온주입공정 장비를 이용하여 입자를 가속시켜 웨이퍼에 주입하는 공정을 뜻한다.

 

 

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[이온주입장치]

 

이온 주입 장치

 

1. 이온 소스 : 플라즈마를 만들어 주입하고자 하는 이온을 생성, 이온 빔을 추출함.
2. 질량 분석기 : 질량 분석 원리를 이용해서 이용을 원하는 이온 빔만을 선택함.(Ion-Select)
3. 가속기 : 원하는 깊이의 이온주입을 하기 위해 이온을 가속하는 장치.
4. 중성 빔 게이트 및 빔 포획 : 가속기에서 가속기에 부딪히면서 전자와 만나 중화된 중성 빔을 경사 전계를 인가하여 극석을 띈 이온들은 휘어 있는 경사 전계를 따라 이동하지만, 중성 빔은 극성을 띄지 않기 때문에 직진하여 핌 포획 장치에 포획된다.
5. 이온주사기 : 웨이퍼에 이온 빔을 횡 방향 및 종 방향으로 주사하기 위한 장치이다. 삼각파를 인가하여 웨이퍼에 이온이 고르게 주사될 수 있게 하는 방식을 정전기적 주사라고 한다. 또한, 빔이 움직이는게 아니라 웨이퍼 자체를 움직여서 이온주사를 고르게 하는 방법을 기계적 주사라고 하며, 위 두 방식을 합친 방식을 혼합형 이라고 한다.
6. 웨이퍼 챔버(End-Station) : 웨이퍼를 장착하는 공간이며 주입된 이온의 수를 비교기를 통해서 판단 후 적정 이상(이전에 미리 세팅해 둔 값)의 이온이 들어왔으면 셔터를 내려 이온주입을 중단한다. 생산성 향산을 위한 디스크 형태의 준 일괄 공정도 존재한다.

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[질량 분석기(Mass Spectrometer(Analyzer)]

 

위의 이온 주입 장치에서 특정이온들을 골라주는 질량 분석기에 대해 조금 더 그 원리를 자세히 알아보자.

 

질량 분석기 원리

쉽게 설명해보자면, 우리가 원하는 특정 이온 빔을 얻기 위해, 플라즈마 소스에서 생긴 여러 기체들을 분류해 내야 한다. 위와 같은 magnetic mass filter를 사용해서 이온들이 들어오면 플레밍의 왼손 법칙에 따라, 자계에 수직인 방향으로 힘이 작용하여 이온들이 꺽여서 운동하게 되는데, 이 꺽이는 정도가 로렌츠의 힘에 의해 구심력과 같아지고, 원운동을 하게 된다. 이 점을 이용해서, 어떤 이온을 고르기 위해서 어떤 질량을 가졌는지, 어느 속도로 움직이고 어떤 크기의 자기장을 걸어줄지를 조절하여 원하는 특정이온만을 위의 그림처럼 슬릿을 통해 빠져 나오게 끔 설계 할 수 있다. 로렌츠 힘에 관한 공식은 아래과 같으니 참고 하면 좋을 것 같다!

플레밍의 왼손 법칙과 로렌츠 힘

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[이온 주입 모델링 및 파라미터(Parameter)]

 

이온 주입의 경우, 무작위적으로 진행되기 떄문에 우리가 흔히 아는 가우스 분포(Gauss' Distribution)을 따르게 된다. 이온 빔이 실리콘 표면을 뚫고 들어간 거리는 직선이 아니다. 매우 무작위적인 경로로 움직이기 떄문에 이는 따지지 않고, 표면부터 직선거리로 얼마나 움직였는지를 투사거리(Rp)라고 한다. 해당 부분이 최대 농도 지점이고, 이 Rp의 편차를 알게 되면 거리에 따른 이온의 분포를 알 수 있게 된다.

또한 도즈(Dose)라는 인자도 꼭 알아야 한다. 도즈(Dose)란, 위에서 웨이퍼 방향으로 내려다 보았을 때, 단위면적에 얼마나 많은 입자가 들어있는지에 대한 파라미터이다. 해당 파라미터는 거리에 따른 주입된 이온의 농도 그래프를 전 구간에서 적분해 주고 단위면적으로 치환해주면 구할 수 있게 된다. 

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[이온 주입 공정의 문제점 및 대책]

 

1. 채널링 문제(Channeling)

 

: 채널링이란 간단히 설명해 보면 사람 머리랑 같다. 사람 머리를 정면에서 쳐다 보면(대머리가 아닌경우 입니다 ㅎㅎ) 두피가 잘 보이지 않을 것이다. 하지만 사람의 머리를 위에서 정수리쪽을 바라보게 된다면 두피가 머리카락 사이로 드문드문 보이게 될 것이다. 이것과 같다. 바라보는 방향에 따라 실리콘 결정 사이 빈공간이 더 잘 보이게 되고, 그 상태로 이온 주입을 하게 되면 주입한 불순물이 실리콘 원자와 충돌하지 못하고 원하지 않는 깊이까지 들어가 버리게 되어 공정이 제대로 되지 않는다. 이러한 문제를 채널링에 따른 문제라고 한다.

 

- 해결책(Resolution) 

 

• 이온주입 각도 개선 : 통상 ~7도 경사(tilt) + ~20도 비틈(twist)를 통해 주입각도 개선
• 표면 비 정질화 : 불순물과 실리콘 원자 사이의 충돌을 높여주기 위해 희생산화막이나 PAI(Pre-Amorphization Implant)를 형성시켜 준다.

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2. 그림자 효과 (Shadowing Effect)

 

: 그림자 효과는 앞선 증착 포스트에서 공부 했듯이, MFP(mean free path)가 길어진 원자들은 비교적 큰 운동에너지를 가지게 되고 그로 인해, 직진성을 띈다. 직진성을 띄기 때문에 게이트 등의 구조물에 가려 제대로 이온이 주입 되지 않는 현상이 발생할 수 있다. 이를 그림자 효과라고 한다.

 

그림자 효과(Shadowing Effect)

- 해결책(Resolution)

 

: 도즈를 4분할 하여 웨이퍼를 4회 회전시키면서 이온 주입을 하여 그림자효과로 가려지는 부분도 골고루 이온 주입 되도록 해줌.

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3. 어닐링(RTA, rapid thermal annealing)

 

: 어닐링 과정은 이온 주입으로 인해 발생한 결함(defect)들을 제거하는 방법이다. 이는 매우 짧은 시간(~usec~수sec)동안 1000도 이상의 매우 강한 열을 가해 주면 주입된 불순물(도펀트)들이 활성화 되면서 주변의 실리콘 원자들과 공유결합하여 격자구조가 안정화 되는 것을 의미한다. 해당 과정이 없으면 도펀트 들이 주변의 실리콘 원자들과 제대로 공유결합을 하여 전자 혹은 정공을 발생 시킬 수 엇기 때문에 반드시 필요한 과정이다.

 

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이번 포스트에서는, 확산 공정에서 더 나아간 이온 주입공정을 알아보았다. 다음 포스트에서는 CMP공정, 즉 화학적 기계적 연마 공정에 대해 알아보도록 하겠다.

 

내용이 점점 많아지면서 앞에 나왔던 내용들이 계속 튀어나오기 떄문에 앞선 내용들도 잊지 않고 복습하는 습관을 꼭 기르도록 하자. 모든게 어느정도 다 연관이 있기 때문에 ㅎㅎ

 

다들 화이팅!