[6일차] Part 2. 반도체 공정 (산화/확산/이온주입 공정)

 

산화/확산 공정

 

1. 산화공정

- 산화막 형성 방법 및 사용 이유

- 열 산화막 성장 원리(Deal-Grove 모델)

- 실리콘-열 산화막 전하

 

2. 확산 공정 (현재사용 X -> Ion Implanatation)

- 확산 개념

- 확산 공정 방법 및 원리

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1. 산화공정

1) 산화막 형성 방법 및 사용 이유

저온 : 증착한다!

고온 : 성장한다! => 열 산화막

 

◆ 열 산화막 성장 방법

건식, 습식 식각이 있음. 성장 속도는 습식 산화가 빠르다.(5배~10배)

=> SiO2 내 용해도가 H2O > O2

- 전기적 특성은 건식이 우수 (느리기 때문에 막질이 치밀하다 & 발생된 수소에 의해 SiO2내에 들어가 있을 수 있음) => Gate oxide에 사용

- 열 산화막 성장 원리(Deal-Grove

 

<Si 사용 이유>

- 산화가 쉽다.

- 우수한 절연체이다. (~9eV)

- 실리콘과 산화막 계면 특성이 우수하다.

 

◆ 열 산화막 응용

[과거]

- 확산에 의한 doping mask! => 이온 주입 도입 => PR 대체

- LOCOS 소자 격리 기술 => STI CVD Oxide 로 대체

 

[현재]

- buffer/liner/희생 산화막 -> 이온 주입 및 SIN 증착 전

- MOSFET 게이트 산화막

 

2) 열 산화막 성장 원리(Deal-Grove 모델)

- 산소 가스가 확산막을 확산하여 실리콘/산화막 경계에서 실리콘과 반응하여 성장

- 실리콘을 소모하면서 성장하는 모델

- 확산 + 표면 반응 => 성장 속도 결정

- 전체 SiO2 두께 중 ~46% Si 가 소모

 

[초기]

- 실리콘과 반응속도가 성장 속도 결정 (Surface Reaction 제어)

- 산화 시간에 선형적으로 성장

 

[나중]

- 산소가 산화막을 확산하는 데 걸리는 시간이 전체 산화 속도 결정 (확산 제어)

- 산화 시간에 루트 함수 적으로 성장

[습식산화 빠른 이유?]

SiO2 내 용해도가 H2O > O2

=> 기울기가 습식이 더 빠름

3) 실리콘-열 산화막 전하 (Si-SiO2 Charge)

- Si-SiO2 전하 중 Fixed Oxide Charge와 Interface Trapped Charge가 Si 웨이퍼 결정면과 관련 있음.

- ★ Si의 밀도가 낮아 원치 않는 전하 밀도가 가장 낮은 (100) 웨이퍼를 선호

 

① Fixed Oxide Charge Qf

산화되지 못한 Si (Si-Rich) => 양전하로 분호

 

② Interface Trapped charge Qit

Si원자의 Dangling bond

 

③ Mobile Ion Charge Qm

알칼리 금속 이온 (Na+, K+) 오염 (현재 문제x by Cl)

 

④ Oxide trapped charge Qot

주로 고에너지 충격 electron 충격이 원인 (플라즈마 식각)

 

 

 

① , ② => Wafer 특성과 연관! (100)

 

[실리콘 결정면 관련 전하]

- 전하량 ∝ Si 원자 밀도

- Qf : 산화 미참여 잉여 Si => Si rich

- Qif : O2와 미결함 => Si Dangling bond

- 실리콘 결정면의 Si 원자 밀도 : (100) < (111) < (110)

=> Si의 밀도가 낮아 원치 않는 전하 밀도가 가장 낮은 (100) 웨이퍼를 선호

 

2. 확산 공정 (현재사용 X -> Ion Implanatation)

1)확산 개념

- 밀도 차이나 농도 차이에 의해 물질을 이루고 있는 입자들이 농도가 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 액체나 기체 속으로 분자가 퍼져 나가는 현상

 

2) 확산 공정 방법 및 원리

- 선확산 (Pre deposition) : 불순물을 웨이퍼 표면에 침전 시키고

- 후확산 (Drive In) : 고온에서 확산

- 불순물을 웨이퍼 표면에 침전 시키고 이를 고온에서 확산하는 원리

- 고온, 장시간 확산 -> 측면 확산 및 깊은 접합 -> 미세화 불가 -> 이온 주입으로 대체!!

 

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이온주입 공정

 

1. 이온주입 공정 정의

2. 이온 주입 공정과 확산 공정 비교

3. 이온 주입 장치

4. 이온 주입 모델링

5. 이온 주입의 문제점 및 대책

6. 어닐링

 

1. 이온주입 공정 정의

반도체에 전도성을 부여하기 위해 웨이퍼에 불순물(도판트)를 주입(도핑)하는 공정으로 이온주입 장비를 이용하여 입자를 가속시켜 웨이퍼에 주입하는 공정

- 필요한 양만큼 Dose, 필요한 깊이로 Junction Depth

 

2. 이온 주입 공정과 확산 공정 비교

	이온 주입 공정	확산 공정
장점	- 정확한 도핑량과 깊이 제어 - 농도와 접합 깊이의 독립적 제어 - 비등방성 => 미세화 공정에 사용 가능 - 저온 공정으로 PR을 MAsk로 사용 가능	- 웨이퍼에 손상이 적다 (자연적) - 일괄처리 Batch process -> 생산성이 높다.
단점	- 이온 주입 손상 - 채널링 => 대안이 있음! - 고가 장비 및 복잡성	- 고온 공정 (PR 사용X -> 산화막 등 Hard mask 사용해야함) - 농도와 접합 깊이의 독립적 제어 불가 - 등방성

 

3. 이온 주입 장치

 

① 이온 소스 : 플라즈마를 만들어 주입하고자 하는 이온을 생성하고 이온 빔을 추출 ( BF3, PH3, AsH3 + 강한 전압 )

② 질량 분석기 : 질량 분석 원리를 이용하여 원하는 이온 빔만 선택

③ 가속기 : 원하는 깊이의 이온주입을 하기 위해 이온을 가속

④ 중성 빔 게이트 & 빔 포획 : 중호 : 중화 된 중성 빔을 경사 전계를 인가하여 여과 (중성 빔은 전계에도 직진함 -> 웨이퍼에 전달 되지 못하게)

⑤ 이온 주사기(Scanning) : 웨이퍼에 이온 빔을 횡 방향 및 종 방향으로(고르게) 주사하기 위한 장치

-> 정전기적 주사/기계적 주사/혼합형

⑥ 웨이퍼 챔버 (End-Station) : 웨이퍼를 장착하는 공간이며 주입된 이온의 수를 세어(Faraday Cup) 이온 주입 완료를 판단 후 공정 완료! => 생산성 향상을 위해 디스크 형태의 준 일괄 공정도 있음. (웨이퍼 여러장 Semi-batch식)

 

순서!

Generation -> Selection -> Acceleration -> Focusing -> Scanning

 

*Dose : 단위 면적당 Wafer에 주입된 평균 이온의 수

 

◆ 질량 분석기 Mass spectrometer (Analyzer)

1) Magnetic mass filter를 사용, 원하는 이온만을 선택

2) Magnetic field perpendicular to ion velocity -> 플레밍의 왼손 법칙

 

 

4. 이온 주입 모델링

① Rp (투사거리) : 웨이퍼 표면에서 수직으로 이온이 이동한 거리 (최대 농도 지점)

= 농도가 가장 높은 지점의 Depth!

가벼운 이온(B)이 무거운 이온 (As)에 비해 더욱 깊이 들어가며 더욱 넓은 broad한 분포를 가짐.

- △Rp (편차) -> 가우스 분포상, 투사 거리에 대한 표준 편차

 

② Φ Dose : 위에서 아래를 보았을 때 얼마나 많은 입자가 단위 면적에 들어 있는가? (적분) [#/㎠]

 

 

5. 이온 주입의 문제점 및 대책

1) 채널링 문제 Channeling

- (100) 웨이퍼 사용 -> 실리콘 밀도가 낮은 만큼 원자 사이 거리 넓음

- 주입 이온의 방향가 결정 방향과 평행 시 발생 => 이온이 과도하게 기판 내로 주입되는 현상

- 채널링 : 연속적 탄력적인 내부 충돌 발생

- 상당량의 이온들이 작은 에너지로 먼 거리 이동 -> 원치 않는 불순물 농도 프로파일 (깊이 분포의 예측이 어려워진다)

 

2) 채널링 문제 개선책

① 이온 주입 각도 개선 - 통상 ~7도 Tilt + ~20도 비틈 Twist

② 표면을 비정질화 Pre Amorphization Implant (PAI)

- 산화막은 비정질 -> 희생 산화막

- 표면을 Damage 줘서 비정질화

 

3) 그림자 효과

- 게이트 등의 구조물에 가려 이온 주입이 되지 않는 지역 발생

- 도즈를 4분할 하여 웨이퍼를 4회 회전시켜 이온주입으로 해결

 

6. 어닐링

- 이온 주입에 의해 발생된 결정 결함의 제거

- 주입된 불순물(도펀트)의 활성화

- 급속 열적 어닐링 Rapid Thermal Annealing ( >1000도, μsec~수sec)

(TED - Transient Enhanced Diffusion 현상을 억제하기 위해 RTA, RTP 사용)