반도체 공정 - ion implantation (이온 주입 공정)

* 공부하는데 큰 도움을 주신 공학 유튜버 남알남 님께 감사드립니다. :)

 

반도체에 생명을 불어넣어 소자의 기능을 하기 위해서는 전도도를 가지게 해야한다.

 

아래의 그림과 같이 P기판은 B, Al, Ga 등 3족 원소를 도핑해준 Si 기판을 뜻하고,

N+(N well)는 기판에 5족원소들을 부분적으로 P(인)와 같은 물질을 도핑한 지역을 칭한다.

출처 - https://www.skcareersjournal.com/

이렇듯 4족 원소인 Si등의 반도체에 불순물을 도핑해주는 공정은 크게 확산공정과 ion implantation (이온주입) 공정으로 나뉜다.

 

확산 공정은 주로 과거에 주로 사용되었는데 단점으로 unistropic하게 이온 주입이되고 표면에만 고농도의 불순물을 가지는 특성이 있어 현재에는 주로 사용하지 않는다.

 

따라서 Ion implantation이 주로 사용된다. Ion implantation을 알기 위해서는 장비에 대한 이해부터 하고 넘어가는것이 좋다.

 

- Ion implantation 장비

출처 - 위키피디아 (그림 1)

출처 - https://news.skhynix.co.kr/ (그림 2)

 

위 그림들은 이온 주입공정에 사용되는 장비의 개략도 및 프로세스이다.

 

그림 1에 있는 파란색 삼각형같은 공간을 질량 분석기(Mass spectrometry)라고 한다. 이곳에서 여러 이온 중에서 도펀트로 사용하고자 하는 이온만을 선별해준다.

이 원리는 로렌츠의 힘과 관련되어 있는데 무거운 이온과 가벼운 이온을 전자석이 분류를 해주게된다.

이때 분류되는 이온은 주로 양이온을 사용하는데, 그 이유로는 이온에서 전자를 붙이는것이 떼는것보다 쉽기 때문이다.

 

이렇게 분류된 이온은 이온 가속기와 이온 주사기등을 거쳐 웨이퍼에 도핑되게된다.

 

- Ion implantation 의 장점

1) 도핑하고자 하는 깊이와 농도를 자유롭게 선택할 수 있다.

2) polymer mask를 그대로 사용이 가능하다.

확산과는 다르게 이온주입 공정 자체에는 열처리를 하지 않아 polymer mask가 타거나 녹는 현상을 고려하지 않아도 되기 때문이다.

3) 도펀트의 종류를 자유롭게 사용할 수 있다.

이온 주입 장비가 이온을 구분할 수 있는 능력?이 굉장히 좋기 때문에 주입할 수 있는 이온이라면 뭐든 재료로 사용 가능하다.

 

- Ion implantation 의 단점

1) wafer에 damage가 가해진다.

가장 근본적인 단점으로, 물리적으로 실리콘 기판 안에 이온을 때려 넣는것이기 때문에 silicon 원자의 격자구조가 깨지게된다.

따라서 이를 해결하기위해 annealing을 필수적으로 해준다.

 

2) 낮은 throughput

확산 공정은 기판 위에 확신시키고자 하는 물질을 놓고 한번에 고온처리를 하면 되는 반면에, 이온 주입공정은 장비에 1장의 웨이퍼만을 넣고 실행되게 된다. 따라서 낮은 thorughpout의 단점을 가진다.

 

3) channeling effect 발생

출처 - 위키피디아

위 그림은 실리콘 결정 110 단면의 개략도를 보여준다.

 

실리콘 결정 사이사이에 빈 공간이 존재하는데, 이 공간 사이로 주입된 이온이 통과해 예상된 지점보다 더 깊이 이온 주입이 되는것을 channeling effect라고 한다.

 

- Channeling effect을 해결하기 위한 방법

여러 방법들이 고안되었는데 대표적으로 4가지의 방법이 있다.

1) tilting twisting

결정들의 빈틈으로 이온이 통과하는게 문제이기 때문에, 이온을 고의적으로 비스듬하게 입사시켜 실리콘 격자 구조들과 충돌을 유도하는 방식이다.

TCAD simulation을 사용할때 tilt를 설정하는 구간이 있었는데, 도핑을 현실감있게 하기위해 이러한 방법을 사용했던 것 같다.

ex) z축 7도, xy축 20도

 

1-1) shadowing effect

tilt하게 이온을 주입하게되면 mask에 가려 비스듬하게 입사된 방향에는 마치 그림자가 생긴것 처럼 이온 주입이 제대로 되지 않는 현상이 발생한다. 이를 해결하기 위해 4방향을 회전하며 이온 주입을 진행한다.

이 때, 이온 주입되는 dose(농도)는 1/4로 나누어 진행한다.

 

2) tilted sliced wafer

Wafer 자체를 슬라이싱할때 110 혹은 100 단면보다 조금 비스듬하게 슬라이싱 하는 공정이다.

이렇게 되면 수직으로 이온주입을 하게되어도 Si 입자 사이로 이온이 통과하는것을 방지할 수 있다.

하지만, 슬라이싱 하는 공정 자체에서 실리콘의 격자 구조가 비스듬하게 깨져서 높은 성능을 내기는 어려울것으로 예상된다.

 

3) pre-amorphizing implant (선 비정질화)

Si의 표면을 이온주입 전에 미리 비정질화시켜놓는 방식이다. 한마디로 Si의 표면을 미리 부셔놓는다.

그렇게 되면 Si에 입사되는 이온이 무작위하게 이동하기 때문에 Channeling 현상을 막을 수 있다.

 

여기서 드는 생각으로, Si의 표면을 비정질화 시키면 소자 성능에 악영향을 미치지 않을까? 라는 생각을 할 수 있다.

그 답변으로는, 어차피 이온 주입 공정에서도 Si에 데미지가 가해지기 때문에 annealing 공정을 거치면 격자 구조가 복원 되기 때문에 크게 문제가 없다.

 

4) 무거운(큰) 이온 사용

이온의 크기가 큰 이온을 '무거운 이온'이라고 부른다. Si 구조의 빈틈보다 커다란 무거운 이온을 사용하게 되면 사이 사이로 이온이 빠져나갈 수 없게되어 이 또한 채널링을 방지할 수 있다.

 

- Annealing을 이용한 Si 구조 복원

이온주입 공정으로 소자에 물리적인 데미지가 가해졌을때 고온의 열을 순간적으로 가해주는 공정을 annealing이라고 한다.

이 때, annealing의 핵심은 시간은 적게, 온도는 높게 하는것이다.

 

따라서 RTA(rapid thermal annealing)이라는 방법을 사용한다.

 

RTA의 장점은 아래의 표에서 기존에 사용되던 Furnance 방식과 비교하면 이해하기 쉽다.

출처 - https://m.blog.naver.com/khm159/221674463303

RTA는 자외선을 사용해 웨이퍼에 수직으로 조명을 쬐어주는 방식이고 Furnance는 마치 빵을 굽는 오븐에 wafer을 넣어 열처리를 해주는 방식이라고 생각하면 쉽게 이해가 될것이다.