[ 확산 공정 시리즈 ] Doping, Ion implant, 그리고 oxidation

안녕하세요. 이 시리즈에서는 확산 공정을 다룹니다.

 

크게 묶어서 다루긴 하지만, 사실 약간은 조심스럽습니다.

 

우선 앞의 두 Doping, Ion implant는 둘 다 같은 목적인데요.

결국 어떤 반도체 영역에 원하는 도핑을 하는 겁니다.

 

그리고 뒤의 oxidation은 $SiO_2$막을 형성하는데, Si에 $O_2$혹은 $H_2O$를 사용해서

치환 성장시키는 방법입니다.

 

아무튼 시작해보겠습니다!

 

Diffusion

우선, 확산에 대해 설명해보겠습니다.

우리가 기존에 아는 것처럼, 높은 농도에서 낮은 농도로 퍼져나가는 현상을 의미하는데요.

결국 농도차에 의해 원자가 이동하는 것입니다.

우리가 반도체 공정에서 다루는 것은, 주로 반도체 내부에 Doping을 하는데, Dopant가 주입되어서 움직이는 것을 의미합니다.

 

확산계수는 단위면적 당 어떤 물질의 확산속도를 말합니다.

어떤 확산 모델이냐, 그리고 온도가 어떻게 되느냐에 따라 계수가 달라집니다.

 

확산 모델로 B,P,As같은 도핑 관련 문질들은 공공 메커니즘, Vacnacy mechanism을 따릅니다.

이는 비교적 높은 활성화에너지를 갖고, 느린 확산을 합니다.

 

반면, Au, Cu 등은 침입 메커니즘을 가지고, 낮은 활성화에너지와 빠른 확산을 합니다.

 

 

Doping 공정

Doping 공정이라는 것은, Si에 불순물을 넣어서 원하는 Profile을 갖도록 하는 과정입니다.

이를 통해 원하는 Doping을 해서 P, N을 구현하거나, Poly silicon gate라면, 그 비저항을 조절할 수도 있습니다.

혹은 Ohmic contact형성, 그리고 Vth 조절 등에도 쓰입니다.

 

전체적인 프로세스는, 확산을 시키고 싶은 Source를 기체원, 액체원, 고체원으로 해서, Ar이나 N2같은 반응성이 적은 기체에

실어 보냅니다.

그리고 Furnace 등을 사용해서 퍼지게 하는 방식입니다.

 

이때, Two step을 취합니다.

먼저 Predeposition으로, Source가 흐르게 하면서 열을 가해 침투 시킵니다.

이때는 900~1100도정도로, 어떻게 보면 원하는 양을 결정한다고 볼 수 있습니다.

 

그 다음은 Drive-in으로, source를 차단시키고 마저 확산을 시켜 Doping profile을 조절합니다.

비교적 더 고온에서 10h까지 긴 시간을 소모합니다.

 

스텝을 나눠서 진행함에 따라, 전체 도핑양을 조절하기가 좋습니다.

 

이러한 확산 공정을 통해 Doping 공정을 수행할 때, 장점은 Damage가 없다는 것입니다.

그리고 어디까지 확산이 되었는지, 확산 방정식을 통해 깊이를 측정하기 좋습니다.

그리고 Batch단위 작업이기 때문에, Throughput도 좋습니다.

 

하지만, Doping profile이 내 마음대로 조절되지 않습니다.

그리고 표면 농도를 낮추려면 drive-in을 길게해줘야 고르게 퍼진다는 단점이 있죠.

그리고 내가 원하는 대로 수직방향으로 diffusion이 되는게 아니라, 옆으로, lateral하게 퍼지는 면적의 손해가 있겠죠.

 

Ion Implantation

사실 위에서 처럼, lateral diffusion등의 문제를 해결하기 위해, Ion implantation을 도입합니다.

결국 강한 에너지로 Ion을 기판에 주입하는 방식으로, 원하는 Ion을 빠르게 형성시킵니다.

 

이에 따라, Lateral diffusion이 감소하고, vertical하게 조절가능합니다.

그리고 정밀하게 도핑농도를 조절할 수 있습니다.

게다가, 이전 furnace를 사용하는 것과 달리, 저온 공정이 가능합니다.

 

하지만 여러 단점이 있습니다.

이를 해결하는 것 까지 다뤄보겠습니다.

 

먼저 Target material에 damage가 생깁니다.

주입된 강한 에너지의 ion에 의해, Si 격자 구조가 파괴됩니다.

이를 회복하기 위해서는 Annealing이라는 과정을 수행합니다.

 

쉽게 말하면 열을 주는 건데, 이게 당연히 문제가 될 수 있는것이,

원하지 않게 불순물이 과도한 확산을 일으킬 수 있다는 것이죠.

 

그래서 최근 많이 사용하는 방식은 RTA (Rapid Thermal Annealing)으로, 급격하게 높은 온도로, 짧은 시간 Annealing 합니다.

이는 Single wafer인데다, cooling에 시간이 오래걸리는 단점은 있습니다.

 

다음 문제점은 Channeling effect입니다.

특정 각도에서는 Ion 주입시 격자와 충돌하지 않기도 합니다.

이게 문제가 되는 이유는, 내가 원하는 깊이보다 훨씬 깊이까지 침투하게 될 수 있기 때문입니다.

 

그래서 택하는 방법은 Tilt & Twist입니다.

입사각을 조절해서, 격자하고 충돌을 유도하는 방법입니다.

 

이렇게 Ion implantation을 하면 정밀하게 도핑을 조절하거나 이런 장점은 있습니다.

하지만, 설비가 비싸고, Annealing을 반드시 추가적으로 해줘야 합니다.

 

 

Oxidation

Furnace를 사용해서, Si를 치환해 SiO2를 성장시킵니다.

Diffusion에 의해 Oxide가 형성되고, 투입하는 gas에 따라 Dry, Wet을 나눕니다.

 

Oxidation 자체는 conformal한 과정입니다.

 

Dry는 O2를 넣어주는데, Deposion rate가 느립니다.

균일하게 성장하는 편이지만, 정말 느립니다.

 

하지만 quality가 좋기 때문에, Mosfet의 gate dielectric이나, Flash memory의 Tunneling oxide로 쓰기 좋습니다.

 

Wet은 H2O를 넣습니다.

성장이 빠른 편이라, 두꺼운 박막을 형성하기 좋습니다.

하지만, 품질이 낮은 편입니다.

 

그래서 두껍고 퀄리티가 비교적 덜 중요한, 어떤 분리를 위한 막들에 많이 사용합니다.