박막공학 [10] 확산 공정(Diffusion)의 두 가지 단계/ Diffusion 반응식과 공정 장비
우리가 지난 시간에 Dopant의 주입 방식 중 하나가 Diffusion 방식이었고, 다른 하나는 Ion Implantation 방식이었다.
오늘은 이 중에서 Diffusion의 두 가지 단계에 대해 다루어 보겠다.
1. Pre-Deposition (선 증착 단계)
선 증착 단계란, dopant를 Si의 표면에 증착하는 공정으로 표면 근처에 도핑 원소의 농도를 원하는 표면 농도(Q_DOSE)까지 불순물을 포화상태로 공급하는 것이다.
산화막 없이 증착하거나 얇은 산화막 위에 증착하는 방식으로, 표면 위에 올려 놓기 때문에 표면 농도가 일정하고, erfc형 농도 분포를 가진다.
아래 그래프를 살펴보자.
C_s는 확산 온도의 고용 포화도로, 시간에 대한 함수이다.
x축은 확산 깊이를 무차원한 축으로, 쉽게 말하자면 확산 거리를 나타낸다.
y축은 농도의 상대적인 비율을 나타낸다.
이 그래프를 통해 알 수 있는 것은 다음과 같다.
1. sqrt(
2. Drive In Diffusion(전진 확산)
전진 확산은 더이상 도펀트를 공급하지 않고, 기존에 주입한 도펀트를 원하는 깊이로 밀어 넣는 단계이다.
표면에 도펀트의 공급이 존재하지 않기 때문에, 전체 도펀트의 용량은 고정된 상태에서 내부로 재배열된다. 또한, 가우시안 분포(Gaussian Distribution)을 확인 할 수 있다.
그래프를 해석해보자.
표면에서 더이상 dopant를 공급하지 않아, 총 도펀트의 양은 고정되어있다. 시간 t가 커질 수록 분포 폭이 증가하고 최고 농도는 감소하는 것을 볼 수 있다.
실제 선증착 공정의 junction depth는 Drive in공정에서보다 매우 작기 때문에 선 증착 공정의 농도 분포를 Delta Function으로 생각하고, 선 증착 공정에서의 junction depth는 무시하기도 한다.
위의 두 내용을 정리하면 다음과 같다.
3. Doping(방식 중 Diffusion) 반응식과 공정 장비
P-Type 도핑과 N type도핑의 경우를 각각 알아보자.
3-1. P-Type에서의 공정
1) Pre-Deposition
고온에서 B2H6 가스가 산화되어 B2O3로 변하며 증착된다.
2) Cap Oxidation
생성된 B2O3가 Si와 반응하면서 B을 기판 내로 주입되며 동시에 SiO2가 생성된다.
추가로 Drive in Diffusion같은 경우, 화학 반응이 아닌 물리적인 확산 과정이기 때문에 수식으로는 나타나지 않는다.
3-2. N Type에서의 공정
1) Pre-Deposition
POCl3가 산소와 반응해 P2O5가 증착된다.
2) Cap Oxidation
Si 기판 내로 인(P)이 주입되고 산화막이 형성된다.
3-3. 도펀트 확산 공정 장비
전형적인 Open Tube Diffusion System 공정 장비에 대해 살펴보자.
N2는 불활성 기체로 반응은 하지 않고 액상 도펀트를 버블링하여, 도펀트를 기체화한다. 이 도펀트들이 O2와 만나 산화 반응을 일으켜 P2O5 혹은 B2O3를 생성하고, 이 산화물이 Si Wafer와 반응하여 SiO2+ 도펀트 꼴로 반응이 완료된다. 마지막으로 도핑과 SiO2의 형성이 동시에 일어나고, 반응 후 남은 부산물은 Vent로 배출된다.