[반도체 공정] 도핑공정(Ion implantation)-2
4. 이온주입 분포
1) 가우스 분포 함수
- Range(R): Ion이 멈출 때까지 거리
- Projectied Range(Rp): Ion 주입 방향 평균 투과 범위
Projectied Struggle(△Rp): 주입 방향 통계적 변동
Projectied Lateral(△Rￌ): 주입에 수직 한 방향 분포, 소형화 한계
2) 이온 정지 이론
- Nuclear Stopping: Ion이 격자 원자의 핵과 충돌
격자 손상 발생
Electron Stopping: Ion이 격자원자의 전자와 상호 작용
- 무거운 이온, 작은 이온 에너지-> Nuclear Stopping
가벼운 이온, 큰 이온 에너지-> Electron Stopping
- 이온 주입 손상
: 주입된 이온이 원자핵과 충돌-> 결정 원자가 격자 위치에서 이탈 -> 격자 손상
->이탈한 원자로 인한 추가 격자 손상
이후 공정에 영향, 손상된 영역은 에칭 속도가 빠름
- 가벼운 이온: 전자와 상호작용으로 많은 에너지 잃으며 깊이 주입
이온 에너지가 핵 정지와 전자 정지의 교차점 에너지 이하로 감소 시
핵 정지가 지배적이게 되어 격자 손상 발생-> 마지막 부근 손상 발생
- 무거운 이온: 핵 정지로 많은 격자 손상 발생-> 비결정질 상태로 만듦
- Si의 Rp> SiO2의 Rp: SiO2가 비결정질이기 때문
이온 질량 감소-> Rp증가
Back scattered에 의해 더 얕은 영역에 많이 분포
이온 에너지 증가-> Rp증가, 최대 농도 감소, 넓은 분포
Dose 증가-> 최대 농도 증가, 넓은 분포
5. Issue
1) Channeling
: 결정 축, 면과 주입 방향 일치해 원하는 깊이보다 더 깊게 주입되는 현상
개선: Tilt & Twist- 기판 원자 사이 공간을 감소
Tilt(보통 7도): 오른쪽으로 기운 정도/ Twist: flat zone 위치가 돌아간 정도
비결정 산화막- 비결정질 산화막에 의해 이온빔의 방향 불규칙 변화
Pre Amorphization- 미리 결정면을 손상
무거운 ion 사용 시에도 발생
일반적으로 Tilt 이용, 비결정 산화막, Pre amorphization경우 공정 수 증가 문제
2) Shdowing Effect
: Tilt시 패턴 단차, 주사각으로 인해 국부적으로 이온 주입이 되지 않는 영역 발생
개선: Tilt Implatn x4- 사방 주입
Wafer 회전
열처리 확산
6. 열처리
- 이용: 불순물 확산, Dopant 활성화, Damage curing, Silicide 물질 상전이, 박막 증착
1) 일반적 열처리
- Furnace, Bath type
- 불순물 종류, 농도에 영향 받음
B dose 증가-> 높은 T 필요/ P dose 증가(1E15 이상)-> 낮은 T 가능(Solid phase epitaxy 성장 때문)
- 단: 장시간 열처리에 의한 넓은 확산 깊이
Atmosphere control 문제
2) RTA(Rapid Thermal Annealing)
- 텅스텐 할로겐램프 or 아크 램프, Single type
- 600-1100도의 고온, 단시간 열처리
- 장: 확산 및 Profile 조절에 우수
단: High stress, Thermal uniformity, Throughput
3) Laser 열처리
- 고 에너지 레이저 통한 신속한 열처리, Single type
- 고온, 매우 단시간(~50ns)
- 장: 얇은 확산층 가능
단: High stress, Warpage, Throughput
4) TED(Transient Enhanced Diffusion, 과도 증속 확산)
: 저온공정-> 손상 회복에 오랜 시간 필요
-> 강한 과도 증속 확산 효과 (특히 B)
-> 접합 깊이 증가
5) OED(Oxidation Enhanced Diffusion, 산화 강화 확산), ORD(Oxidation Retardation Diffusion, 지연 확산)
: B, P 경우 산화 분위기에서 열처리 진행 시 확산 증가
Sb 경우 반대로 확산 지연, 질화 분위기에서 증가
6) 산화 분위기 재분포
: 고온 산화 중 재 분포
Gate si/sio2 경계 재분포-> 심각한 Vt 변동 발생
Segregation coefficient(m)=C(Si)/C(SiO2)
: oxide에서 dopant의 diffusivity
dopant마다 일정(B=~0.3, P&As= ~10) *C(Si)= Si 내 불순물의 농도
B는 Oxide로 많은 양이 빠져나감
P, As는 Si 표면에 쌓임
-Shallow Junction Depth
: Vt roll off 최소화 위해 얇은 접합 깊이 필요
얇은 접합 깊이-> Rs 증가 -> 활성화 증가 필요-> T증가
무거운 이온, 낮은 이온 에너지, Pre Amophization-> 손상-> 열처리
그러나 T증가-> 확산 증가-> 시간 감소 필요
--> 따라서 급속 온도 상승과 단시간 열처리 필요
7. 확산층 평가
1) 저항 측정: 4 point probe- 4개의 Prove tip을 wafer에 contact, Voltage drop 통해 측정
2) Dose uniformity: Therma wave - Implant 된 영역은 damagedamage 때문에 반사율이 달라짐으로 반사율 측정
3) 깊이 Profile, 농도: SIMS(이차 이온 질량 분광법)
4) Rs profile: Spreading resistance profiling-시편을 작은 각도로 grinding 해 depth에 따른 Rs 평가
5) Junction depth: Scanning capacitance Microscope