박막공학 [9] Dopant 이온 주입 방식/ Activation Annealing과 장비

 

박막공학 [8] Si/ SiO2의 계면 결함과 비파괴 측정 방식

 

 

1. 이온 주입의 2가지 방식 (Diffusion/ Ion Implantation)

 

 반도체 공정에서는 원하는 성질을 만들기 위해, 불순물을 도핑한다.

 

 불순물을 Doping하는 방법은 크게 두 가지 방식이 있는데, 하나는 Diffusion이고 다른 하나는 Ion Implantation 방식이다.

 

 

 확산 방식은 도펀트 원자가 표면에 존재하고 이를 넣는 방식으로, 도핑 농도는 표면으로부터 순차적으로 감소하는 형태를 가진다. Ion Implantation 방식에 비해 깊은 접합을 하는 특징이 있다.

 Ion Implantation 방식은 얕은 접합 방식으로 Ion Beam을 통해 Dopant를 웨이퍼의 내부에 강제 주입하는 형태이다.

 

 

 이러한 도펀트를 주입한 후에는 반드시 Activation Annealing이 필요하다.

 

 2. Activation Annealing(활성화 열처리)

 활성화 열처리란, 이온 주입 후 불순물 원자를 결정 격자 내 전기적으로 활성화되도록 만드는 열처리이다.

 

 

 활성화 열처리를 하기 전 도핑된 Si의 모습은 굉장히 무질서 하고 Dopant가 비 활성화 상태이다. 이때 Annealing을 하면, 격자를 복원하고 Dopant를 활성화 시킬 수 있다.

 

 여기서 추가로 'Thermal Budget'이라는 개념이 등장하는데, 이는 Activation Annealing 공정의 강도를 정량화 하는 방식이다.

 

2-1. Thermal Budget

Thermal Budget이란 특정 공정 동안 웨이퍼가 받은 열처리 총량을 의미하며, 온도 * 시간으로 표현되는 개념이다.

 

 열처리는 도펀트의 확산, 활성화, 결함 제거, 산화막의 성장 등 다양한 공정에 관여하지만, 너무 과하면 PN 접합 위치가 손상되거나 Junction Leakage가 증가하고, 너무 부족하면 도펀트가 활성화되지 않고 격자 결함이 남아있다. 따라서, 열처리의 온도와 시간 조합을 정량화하여 공정 최적화를 돕는 것이 Thermal Budget이다.

 

 

이 그래프를 보면 실선 혹은 점선으로 나와있는 부분이 같은 Junction Depth(혹은 소자의 선폭)를 지녔다는 의미이다.

 

 x축을 보면 7에 가까워질 수록 온도가 올라가며, 반대로 가면 온도가 낮아진다. 즉, 온도가 높을 수록 왼쪽으로 간다는 것이다.

 y축은 주어진 온도(T)에서 열처리 한 시간을 의미하며, 로그 스케일로 나와있다.

 

 

 빨간 선을 해석해보자.

 

10^4/8(약 1000도)에서 1000초를 열 처리 할 경우, 약 2 μm 정도 확산하는 것을 확인할 수 있다. 또한 16nm 공정에서는 열처리 시간을 1초 미만으로 낮춰야 한다.

즉, 왼쪽 위는 고온 장시간 확산을 하는 경우로 전세대의 깊은 공정이며 오른쪽 아래로 갈 수록 저온 단시간 최신 미세 공정이다. 따라서, 소자의 크기가 작아질 수록 Thermal Budget을 줄여야한다.

 

따라서, 최신 반도체 공정에서는 짧고 정밀한 열처리를 필요로 하는 것을 알 수 있다.

 

 

 

3. Annealing 장비

이전에 다루었던 수직 혹은 수평 Diffusion Furnace를 사용하는 방식이 있지만, 최신 공정에서는 주로 RTP(Rapid Thermal Processing) 방식을 사용한다.

 

3-1. Rapid Thermal Processing(RTP)

 

 

 

  최신 반도체 공정에서 이용하는 장치로, 아주 짧은 시간동안 웨이퍼를 고온으로 확산해 열처리를 수행하는 장치이다. 즉 Thermal Budget를 최소화하는 장치이다.

 

 수 초 내외의 짧은 시간 동안 적외선 램프를 이용하여 실리콘 웨이퍼의 표면을 고온으로 빠르게 가열해 도펀트 활성화, 산화막 형성, 금속 annealing을 수행하는 공정 장치이다. 또한, 열처리 종료 후 즉시 냉각하여 확산을 최소화하는 장점이 있다.

 

 주로 Legacy CMOS공정에서 사용한다.

 

 

 

 

3-2. Spike Annealing

 이 방식은 수 마이크로 초 수준의 극단적으로 짧은 시간동안만 고온(1000도 이상)에 노출 시킨 후 즉시 냉각시키는 고속 열처리 방식이다. 여기서 spike란 '짧은 시간 동안 온도 spike'를 의미한다.

 위에서 설명한 RTA보다도 더 빠른 가열과 냉각을 특징으로 한다. 아래 그래프를 보면 알 수 있듯이, 고온에서 거의 머무는 시간이 없어, 확산을 방지한다.  최신 FinFET 공정이나, GAA 공정에서 주로 사용한다.

 

 

 

 또한,  오른쪽의 사진을 보면 알 수 있듯이,  pMOS에서 확산이 끝난 후 junction의 깊이를 비교하는 사진을 보면, Spike Annealing의 확산 junction이 훨씬 적은 것을 확인할 수 있다.