[반도체 공정] 도핑공정(Ion implantation)-1
1. 도핑 공정(Doping)
: 불순물을 넣어 소자가 전도성 갖도록 활성화시키는 공정
주요 영향 인자: Atomic element, Ion E, Dose, tilt
이용: Well, LDD, Gate ox
LDD(Lightly Doped Drain): 미세화에 따라 소스/드레인 간격 감소하며 내부전계 증가
-> Hot carrier 발생-> 게이트 산화막 뚫고 지나가 소자의 열화 촉진
방지 위해 채널과의 경계면에 LDD 형성-> 채널 영역과 경계의 전계 세기를 감소
소스/드레인의 높은 도핑농도와 채널의 낮은 도핑농도 사이의 농도 가짐
1) Dopant
: 도핑에 사용하는 불순물
- P-type: 최외각 전자 3개
Si에 주입 시 전자 3개는 공유결합하고 전자 1개가 빈 상태-> Acceptor
3가 B, In...
- N-type: 최외각 전자 5개
Si에 주입 시 전자 4개는 공유결합하고 전자 1개가 남는 상태-> Donor
4가 P, As...
2)방법
- 확산(Thermal Diffustion), 이온주입(Ion Implantation)
2. 확산
: 고온에서 가스상 및 산화물 혼합 소스로 부터 확산
웨이퍼손상이 적음
과거방법- 등방성 이온 주입->소형화 한계
농도와 접합깊이의 독립적 제어 불가
고온으로 인한 Roughness 증가
1) 2 Step: Pre depositon-> Drive in (불활성 기체 or 산화 분위기)
- Pre depositon: 기판 표면 dopant 도입 순간부터 얇은 막 생성까지
산화막 마스크 이용
일정한 표면 농도 확산- 무한 기체 소스를 일정량 유입
일정 표면농도, 기판 내부로 갈 수록 농도 감소
- Drive in: 열을 통해 원하는 깊이까지 dopant 재분포
일정한 전체 Dopant 확산- 일정 양 dopant 표면 증착 후 wafer내로 확산
시간에 따른 확산에 의해 표면 농도 감소
도핑농도는 표면으로 부터 점차 감소
확산해 들어가는 dopant 수는 혼합가스 중 dopant의 부분압력과 비례
- 장비: Furnace
2) 확산 모델
- 치환형(Substitutional imputiry): 고온에서 격자 원자(Si)진동-> 에너지를 얻어 격자점 이탈-> 불순물 치환
- 칩입형(Interstitial imputiry)
- Ea(이온화에너지)- 치환형>칩입형
확산 속도- 치환형<칩입형
3) 확산 방정식
- Fick's 1st law: 깊이에 따른 농도차이
D(확산계수) - 온도비례
기울기-확산 E
- Fick's 2nd law: 시간에 따른 밀도 변화
3) 이온 주입법
: Hot fillament에 의해 생선된 전자를 중성원자와 충돌시켜 이온을 생성, 가속해 큰 운동에너지를 이용하여 wafer에 강제로 주입
장: 저온 공정-> PR마스크 사용 가능
세밀한 공정조절가능- 정확한 양, 깊이 조절가능
적은 수평 확산-> 소형화
질량분석기 이용으로 고순도 불순물 주입
단: 후속열처리 필요- 이온 활성화, Damage Curing
채널링
-도핑 농도 조절 공정 변수
Dopant- Solubility 차이
Dose: 단위면적 당 주입되는 이온 갯수
Energy
Beam current: 전기적으로 표현된 단위시간 당 주입되는 불순물 양
Tilt, Twist, Rotation
- 공정단계
: 이온 생성-> 이온 추출-> 이온 선택-> 이온 가속-> 이온 주입-> 이온 주입양 모니터링
장비-크게 Ion source, Beam line, End station 부로 나뉨
Ion source: 이온 생성, 전기장의해 이온 추출
자기장 질량분석기: 이온선택
Beam line: 이온 가속
End station: 이온 주입- Beam scan- Beam을 움직임, Low dose에 적합
Disk scan- Wafer를 rotating, High dose에 적합
High throughput
균일한 주입 위해 Scan 속도조절
모니터링- 이온 충동시 2차 전자 발생->전류 모니터링 통해 dose 모니터링
- 후속 어닐링: 주입된 불순물을 Si원자와 치환
이온 주입으로 인한 Damage 회복