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Semiconductor Fabrication
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1. 개요
Ion Implantation반도체 8대 공정 중 하나로, 도핑 진행을 위해 웨이퍼 상에 이온을 주입하는 과정을 말한다.
이온을 주입하는 과정이지만 물리적 방법이 주로 이용되다보니 반도체 8대 공정에서는 제외되는 경우가 많다.
2. 참고 영상
| 삼성전자 반도체 뉴스룸 유튜브 |
| ▲ 이온 주입 공정 |
3. 방법
3.1. 확산 (Diffusion)
도핑 물질(Dopant)을 포함한 액체/가스를 주입한 뒤 열을 가하여 퍼뜨리는 방식. 도핑 물질 농도가 높은 표면에서부터 내부로 확산이 진행된다.3.1.1. 장점
방법이 쉽고, 비용이 저렴하며 일괄 처리(Batch Process)가 용이하다는 장점이 있다.3.1.2. 단점
균일한 상태의 도핑 분포(Doping Profile)를 얻기 힘들다는 단점이 있다. 공정 상의 한계로 인해 표면보다 내부 농도가 낮은 상태가 되기 쉽다. 또한 Isotropic한 방식이기 때문에 좌우 영역을 임의로 침범하여 미세 공정화가 어렵다.확산이 쉬운 물질이 아니면 도핑 물질로 사용할 수 없다는 것 또한 단점으로 꼽힌다.
3.2. 표동 (Drift)
물리적 힘을 가하여 도핑 물질(Dopant)을 웨이퍼에 주입(Implantation)하는 방식.미세공정의 발달로 도핑 분포(Doping Profile)을 균일하게 얻을 필요성이 대두되었고, 미세 소자 구현을 위한 Shallow Junction이 요구되면서 대세로 정착되었다.
먼저 Ion Source (Generator)를 통해 ion을 공급하고, 전자기장을 이용하여 필요한 이온을 걸러낸 뒤 입자 가속기(Accelator)를 통해 속도를 높여 웨이퍼에 쏘아주게 된다. 최대 에너지는 200keV 까지이며 방향 조절은 렌즈(focus)를 통해 진행한다. 이후 도핑 분포를 안정화하기 위해 열을 가하는 과정이 동반된다.
3.2.1. 장점
어떤 물질이든 이온화가 가능한 물질이라면 도핑 물질로 사용할 수 있다.또한 Ion Source의 출력을 올리기만 하면 원하는 Depth에 도핑 물질을 위치시킬 수 있어 원하는 도핑 분포(Doping Profile)을 얻기 용이하다. ([math(10^{14})] ~ [math(10^{21} cm^3)] 범위에서는 약 1% 오차 내)
해당 방식에서도 열을 가하는 과정이 들어가기는 하지만, 확산 공정보다 저온에서 공정이 가능하고 더 짧은 시간만 열을 가해도 되는 장점이 있다.
Antisotropic한 방식이기 때문에 Deep Depth에서 원하는 도핑 농도를 얻어내기도 용이하다.
3.2.2. 단점
물리적으로 큰 충격을 가해 Implantation Damage가 발생하는 단점이 있다. 이 때문에 실리콘 결정 구조가 깨지거나, 깨진 구조 때문에 도핑 분포가 이상해지는(Channeling) 등의 문제가 발생하기 쉽다.또한 원소 무게가 무거운 물질을 사용했을 때 Deep Depth까지 주입하기가 어렵다. 그만큼 원소 주입 에너지를 더 가하게 되면 표면 데미지가 기하급수적으로 커지는 문제가 발생한다.
일괄 처리가 불가능하여 생산량이 떨어지기 때문에 여러 대를 사용해야 하여 생산단가 상승의 주원인이 되는 점도 문제로 꼽힌다.
3.2.3. Annealing
Damage에 대한 수복을 위해서 어닐링(Annealing)이라는 열처리 과정이 흔히 사용된다. 해당 과정은 단기간 고열(ex. 500°C, 30분)을 가하여 도핑 분포가 망가지지 않는 한도 내에서 실리콘 표면의 결정 구조가 수복되게 한다.또 annealing은 주입된 이온들이 잘 활성화(activation)될 수 있도록 에너지를 공급해 주는 역할도 한다.
3.2.4. Wafer Tilting
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| (100) 구조를 가지는 실리콘 웨이퍼의 원자 격자 모형. 이온이 통과할 수 있는 '채널'이 보인다. | 웨이퍼를 살짝만 기울여도 이온이 깊이 침투하기 어려워진다. |