박막공학 [11] 외인성 확산과 측면 확산

 

박막공학 [10] 확산 공정(Diffusion)의 두 가지 단계/ Diffusion 반응식과 공정 장비

 

 

1. 외인성 확산 (Extrinsic Diffusion)

 

외인성 확산이란, 확산 계수가 일정하지 않고 농도에 따라 변하는 확산을 말한다.

 

 확산이 진행되는 영역에서의 도펀트 농도가 자체 Carrier Concentration보다 큰 경우 발생한다. 이 경우 확산 계수가 일정하지 않고, 도핑 농도에 의해 영향을 받는다.

 

 Si 결정 내부에서 Dopant는 Defect를 통해 이동하는데, Dopant가 전하를 가지면 주위에서 전하 보상 결함이 발생하고, 이로인해 Vacancy의 농도가 증가하면 외인성 확산에서는 확산 계수가 확산 농도에 변화를 주게 된다. 고 농도에서는 Ef(페르미 준위)가 점차 Ec를 향해 움직이며, 도너형 Vacancy가 생기고, Cv가 증가하며 확산이 증가하는 것이다. 이로 인해 전형적인 Gaussian Profile에서 벗어나게 된다.

 

좌측이 Intrinsic Diffusion, 우측이 Extrinsic Diffusion이다.

 

 기판과 도펀트 양쪽의 불순물 농도가 ni(T)보다 큰 경우, 외인성 확산계수는 농도에 따라 달라진다. Dopant 확산이 공공 매커니즘으로 진행되면, 확산 계수가 공공(Vacancy) 밀도에 비례된다. 

 

아래 그래프를 살펴보자.

 

(a), (b)는 극단적인 외인성 확산을 모델링한 모습이다. 확산이 매우 얕고 표면 근처에서 집중 된다. 얕은 junction 형성에는 유리하나 균일한 도핑이 어려울 수 있다. (b)에 대응하는 대표적인 원소로는 P가 있다.

 

 (c)는 일반적인 외인성 확산으로, Dopant의 농도(D)에 따라 확산 계수가 선형적으로 증가한다. B, As가 이에 해당한다.

 

D= constant일 때는 Intrinsic Diffusion일 때의 모습이다.

 

(d) D~ C^(-2)는 불유용 불순물이 들어간 모습으로, 확산 계수는 온도가 높을 수록 오히려 작아지는 모습을 보인다. 또한, 확산이 매우 깊게 퍼진다. 대표적으로, Au/ Pt 등 금속 계열 불순물에 해당한다.

 

 

 10^19 ~10^20 [cm-3] 사이에서 곡선이 꺾이는데, 이것이 intrinsic -> extrinsic의 전환점이다. 외인성 확산에서 드러나는 비 선형석 확산 특성인 Kink와 깊은 Tail region과 같은 특성을 확인할 수 있다.

 

 

2. 측면 확산(Lateral Diffusion)

 측면 확산(Lateral Diffusion) 이란, 마스크 상의 불순물이 수직(아래) 뿐 아니라 옆으로도 확산되는 것이다. 수직 방향의 약 70 ~80% 정도가 측면으로도 확산된다.

 

 

일정한 표면 농도 확산 조건에 대한 일정한 도핑 농도의 등고선 모습