반도체 공정 [25] Doping 공정 (2) 이온주입공정(Implantation)

 

반도체 공정 [24] Doping 공정 (1) 확산 공정

 

 

 

 확산 공정을 통한 도핑은,  도핑 농도와 접합 깊이를 제어할 수 없고, 등방향 도핑이며, 표면 저농도 도핑이 어려운 문제가 존재한다. 따라서, 이러한 문제점들을 극복하기 위해 고안된 방법이 입자 가속기의 원리를 이용하여 불순물을 주입하는 방식인 이온주입(Ion Implantation)이다.

 

 

Ion Implantor

 

 이온 주입기는 BF3, PH3 등의 가스를 이온화 시키고 원하는 불순물 이온만을 추출하는 이온 소스부, 추출된 이온을 원하는 에너지로 가속시키는 빔 라인(Beam Line)부, 그리고 웨이퍼에 이온이 주입되는 곳인 엔드 스테이션부로 구성된다.

 

 이온 소스 부에서는 주입된 불순물 가스를 고 진공 조건에서 플라즈마화 시키고 이중 양이온만 추출하며, 추출된 양이온 중 원하는 불순물(B+, P+ 등)은 Analyzer Magnet을 이용하여 분리하게 된다.

 

이온 주입기의 질량분석기( Mass Analyzer )이다.

 

 이렇게 추출된 이온을 빔라인 부에서 원하는 에너지로 가속 시키고 집속(Focusing) 시킨다. Focusing시킨 빔을 웨이퍼의 표면에 주사(Scanning)하여 이온 주입을 시키는데, 주입된 이온의 양은 Faraday Cup이라는 장치를 이용하여 측정하고 Dose(주입된 이온수/cm^2)로 표시한다.

 

Faraday Cup의 모식도

 

 

이온주입공정

 

 이온 주입 방식으로 원하는 이온을 정확한 에너지로, 정확한 양을 웨이퍼 상에 마스크로 가려지지 않은 부분에 주입할 수 있어 이전시간에 다룬 확산 방식의 도핑과 비교하여 보다 정확한 소자의 제작이 가능하다.

 

이온 주입 에너지에 따른 농도 Profile

 이온 주입 에너지에 따른 불순물 농도 형상(Profile)이다. 즉, 에너지 크기에 따른 이온 주입 깊이가 달라지는 사실을 통해 정확한 Junction 깊이를 가지는 소자를 제작할 수 있다.

 단, 이온 주입은 원자 크기의 이온을 주입하기 때문에, 결정 구조 방향에 따른 이온 주입 깊이의 영향을 받는다. 이온 주입 각도에 따라 원자들과 충돌이 없이 이온이 깊이 들어갈 수 있는데, 이러한 현상을 Channeling(채널링)이라고 한다.

 

Channeling현상을 보여주는 그림

채널링 현상으로 발생하는 Doping profile(붉은 글씨)

 

 

 채널링 현상을 방지하기 위해서는 결정 구조 안에서 이온이 수직방향으로 움직이지 않게 만들어주어야 한다. 실제 공정에서는 장비에서 1) 이온 주입을 할때 이온주입되는 웨이퍼 표면에 산화막이 있는 상태로 주입하여, 실리콘의 결정 구조가 표면에 노출되지 않는 방법을 사용하거나 2) 이온 주입 방향을 웨이퍼의 표면 수직방향과 7도 정도 Tilting(틀어지게)하는 방법, 3) 실리콘 웨이퍼 표면에 Si나 Ge등의 이온 주입을 하여 표면을 비정질화한 후 원하는 불순물을 이온주입하는 PAI(Pre-amorphizing implant, PAI) 방법 등이 사용된다.

 

 Tilting 방법은 이온 주입 시 격자와의 충돌을 늘리는 방법이고, 표면에 산화막이 있는 상태에서 이온을 주입하는 경우나 PAI 후 이온을 주입하는 경우는 비정질 층을 지나면서 이온의 방향이 다양한 방향으로 바뀌게 하는 방식으로 Channeling현상을 방지한다.

 

 

각각 이온 채널링을 방지하는 방법이다. (a) 산화막 (b) Tilting (c) PAI

 

 이온 주입 시 채널링 방지를 위한 tilting을 하는 경우, 이온 주입 영역 주변의 구조물로 입사되지 않는 영역이 발생할 수 있다. 이러한 현상을 그림자효과(Shadow Effect)라고 한다. 이러한 현상의 개선을 위해 다양한 각도(0도,90도, 180도, 270도)로 회전하면서 이온주입을 하게 된다.

 

 

 

 확산 방식 Vs. 이온주입방식

 

 확산 방식은 마스크 아래로 도펀트가 퍼지는 등방성 프로파일인 반면, 이온 주입 공정은 비 등방성 도펀트 프로파일을 가지기 때문에 반도체 소자의 집적도가 올라갈 수록 더 유리하다. 반면 이온 주입 공정은 불순물을 강제로 실리콘  Lattice로 넣는 방식이기 때문에 실리콘의 격자 구조에 손상을 줄 수 있다.

 이러한 손상은 실리콘 단결정의 비정질화, 불순물이 Substitutional Site가 아닌 다른 위치에 존재하는 것, 격자 구조에 defect등의 발생 등을 총칭한다. 따라서, 불순물이 치환 site에 제대로 있게 하고 결함이 생기지 않도록 하려면 후속 열처리 공정인 Annealing 공정이 필요하다.  Annealing 공정을 진행하면 이온 주입 시 격자가 깨져 비정질화된 영역이 다시 결정화되는데, 이를 Recrystalization(재결정화)라고 한다.

 

 즉 이온 주입 후 후속 열처리에 의해 비정질화된 실리콘이 재결정화되면서 주입된 이온도 그 결정성 내에서 치환되어 들어가며, 비로소 전기적 특성을 낼 수 있는 불순물로서의 역할을 하게 된다.

 

 

 그러나 이온 주입 공정에서 고에너지 이온이 실리콘 격자와의 충돌에 의한 손상이 Annealing(열처리) 공정 이후에도 결함으로 남아있을 수 있고, 이 경우 P-N접합 누설 전류가 증가한다. 따라서, 이온 주입 공정 후 적절한 열처리 공정을 해야한다.

 보통 500~600도의 저온에서도 이온 주입에 의해 비정질화된 실리콘이 재결정화되며 결함이 제거되지만, 활성화를 위해 고온인 750~900도에서 열처리를 진행한다. 그러나, 이 경우 소스와 드레인 접합 길이가 너무 깊어질 수 있어 초고온(900~1100도)에서 매우 짧은 시간(수초)로 열처리하여 Shallow Junction을 만든다. 또한, Hot wall 방식이 아닌 RTP와 같은 Cold-wall 방식의 장비를 사용한다.

 최근에는 더 낮은 Shallow Junction을 위해 웨이퍼의 표면만 마이크로 초~나노 초로 가열하는 Flash/ Laser Anneal 방법이 되입되고 있다. 에너지를 높이고, 시간을 줄이면 활성화 결과는 같지만 시간은 줄여 필요하지 않은 물질의 확산을 막을 수 있다.