에피택시 성장 공정, Epitaxial Growth

Epi Growth

개념 설명

https://news.skhynix.co.kr/ultra-pure-water-on-top-of-ultra/

- Seed Wafer 위에 격자 방향을 유지하면서 단결정으로 물질을 성장시켜 새로운 층 형성

  - 일반 증착 층 -> Amorphous (비결정질) -> trap, 격자 구조에 의한 충돌 등 문제점

  - Epi Growth -> 단결정

    - Lattice Match : 물질에는 Lattice Constant, 결합 시 원자간 거리가 존재

                               크게 다르면 층 사이 Stress -> But Epi에서는 이 문제가 적음

    - Abrubt Junction : 확산이나 Ion implant 등 별도 도핑을 통해 Junction 형성 시 보다 뚜렷한 경계

 

Grid (Mesh)

TCAD 활용

- TCAD : 소자 관련 시뮬레이션 도구

- Grid (Mesh) : 공정 혹은 측정을 수행하는 격자

    - 촘촘하면 더 정확한 계산 But, 오랜 시간 소요

    - 느슨하면 빠른 대신 비교적 부정확

    - 중요한 부분에는 촘촘하게, 그렇지 않은 부분에는 느슨하게

    - Epitaxy Growth 볼 때는 기존 Si 상부와 그 위의 Epi 층을 촘촘하게, 하부 Si는 느슨하게

 

- 상단의 박스 : x = 0.00um ~ x = 1.00um에서 spac(간격) = 0.10um으로 (사실 x축방향 관찰 안하기 때문에 더 느슨해도 됨)

                       y = 0.00um 근방에서 0.05um 간격 ~ y = 2.00um에서 0.10um 간격 (y=0.00이 가장 상단 Si)

                             따라서, 상부(Epi 성장하는 곳)은 0.05um로 촘촘하게, 하부로 내려갈 수록 점차 0.10um으로 느슨하게

 

- 하단의 박스 : division -> Epi 성장 결과 만들어진 Epitaxy를 몇 Step의 층으로 나눌 것인지 설정

 

(좌) division = 40 / (우) division = 10

 

 

Doping 농도 변화

 

- 도핑 조건 : 초기 Si 기판은 Boron, 5e14 도핑 -> P-type Substrate

                    Epitaxy는 Arsenic, 5e15 도핑 -> 더 강한 N-type 층

 

Epitaxy 성장 후 상태

- Abs Net Doping : 말 그대로 Net doping의 절댓값 (값 상쇄 고려)

- 크게는 두 층, 사진엔 잘 안보이지만 나눠지는 사이도 여러 색상 존재

    - 하부는 Substrate (5e14 도핑) / 상부는 Epitaxy (5e15 도핑) -> 색상으로도 Epitaxy가 더 높은 도핑임을 확인 가능

 

Cutline 사용한 분석

- Epitaxy부터 Substrate 까지 수직으로 절단

- 양쪽 도핑 농도 다른 구간 사이에 경사 -> Interface 쪽

 

- 각 영역 Dopant의 Profile 관찰

- 반대 층에도 아예 존재하지 않는 건 아니고, 침투혹은 확산 존재

 

온도 변화

- 온도 1050도 -> 1100도

- 큰 차이가 아니어도 온도가 올라가면 확산 잘 일어나고,

   특히 계면쪽에서 서로 넘어가는 Dopant 많아서 부드러운 Doping profile 예상됨

 

- 중앙 부에 확연히 중간 영역 더 생긴 것 확인 가능

- 그만큼 확산이 잘 일어났다는 의미 (깊이 들어감)

 

- 빨간 선 : 1050도 / 파란 선 : 1100도

- 파란선에서 파고 들어가는 깊이도 깊고, 계면 쪽 기울기도 완만 -> 더 깊이 확산

 

처리 시간 변화

- 시간 4min -> 10min으로 증가

- 다른 조건 (특히 growth rate는 그대로)

- 조건에 맞게 더 두꺼운 Epitaxy 성장