박막공학 [14] Ion Implantation (이온주입) (3) Gaussian Profile과 Channeling

 

박막공학 [13] Ion Implantation(이온주입) (2)

 

 

1. Gaussian Profile

 이온을 반도체에 주입하면 각 이온은 기판 내 특정 깊이까지 도달한 후 멈추는데, 이때 분포는 가우시안 분포 Gaussian Profile를 가진다.

 

1-1. 이온 주입된 dopant의 깊이 분포 (Rp vs. △Rp)

 

 

왼쪽 그래프의 경우, 이온 에너지가 높을 수록 깊이(Rp)의 증가하고, 질량이 가벼울 수록 더 멀리 도달하는 것을 알 수 있다.

(B > P > As > Sb)

 

오른쪽 그래프의 경우, 에너지가 클수록 분포폭(ΔRp)이 증가하고, 이온이 클수록 좁은 분포를 가진다.

 

 

1-2. Dose vs. Peak Concentration(Cp)

위의 적분 식을 통해 같은 Qdose라도 ΔRp가 작을수록 Cp(최대 도펀트 농도)가 커진다는 것을 알 수 있다.

 

 

 

1-3. Junction Depth의 정의

Junction Depth
:도펀트의 농도 C(x)가 기판 고유 농도와 같아지는 깊이

 

1-4. Chaneling 현상 

 가우시안 profile은 좌우대칭이고 Rp와 △Rp로 정의되지만, 실제는 기판 상호작용, Channeling 현상 등으로 tail이 생긴다.

Channeling
: 결정성 Si 내애서 이온이 결정 구조의 빈틈(Channel)을 따라 충돌없이 깊이 침투하는 현상

 

대부분의 이온은 Lattice Atom들과 충돌하며 감속하여 Rp에서 멈추지만, <100> <111> <110> 방향의 채널구조를 따라가면 충돌없이 침투 할 수 있다.

 

 

 이러한, Channeling 현상으로 인해 Gaussian Profile 끝에 농도 tail이 생긴다. 이러한 Tail로 인해 Junction Depth의 예측이 어려워지고, Shallow Junction 구현이 어려워지는 문제가 생긴다.

 

 

그렇다면, Channeling 현상을 최소화할 수는 없을까?

 

1-4-1. Channeling의 최소화

 

Channeling 현상을 최소화할 수 있는 방법은 크게 2가지가 있다.

 

 첫번째는, Wafer를 <100>에서 7.4도 tilt 하여 이온주입하여 직접적 이온 진입을 막는 방법이다. 결정 방향에 대해 tilt angle의 변화에 따라 농도 tail이 줄어드는 모습이다.

 

 

 두번째는, Ge Pre-amorphization Implantation 공정으로, Source/ Drain 도핑 전에 Ge이온을 먼저 저에너지로 Si 기판 주입하여, 표면을 비정질(Amorphous) 상태로 변환시키는 방법이다.