반도체 8대공정 중 IMPLANT 공정이란?

 

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Ion Implantation 공정이란

반도체 8대 공정 중 Implant 공정에 대해 알아보겠습니다. 

 

Ion Implantation 공정이란 한 분자 또는 한 원자의 모든 전자의 수와 양성자의 수가 같지 않아 + 또는 -의 전기적 성질을 띠고 있는 입자를 이온이라 하는데, 이러한 이온을 목표물의 표면을 뚫고 들어갈 만큼의 에너지를 갖게 하여 원하는 불순물을 원하는 깊이로 원하는 양만큼 웨이퍼 전면에 균일하게 넣어주어 일정한 전도성을 가지게 하는 공정을 Ion Implantation(이온주입) 공정이라고 합니다.

 

 이온주입 공정은 소자 제작 시 실리콘에 불순물을 주입하기 위한 공정으로, 붕소(B), 인(P), 비소(As)와 같은 불순물을 수십에서 수천 KeV의 에너지를 가지게 하여 실리콘 표면 안으로 수십에서 수만 Å의 깊이까지 이온을 넣을 수 있습니다.

 

 이온이 주입되는 깊이는 에너지를 조절하여 선택할 수 있고 불순물을 선택하여 N-Type 또는 P-Type 반도체를 제조할 수 있습니다.

 

 이온주입 공정의 장점은 불순물의 양을 정확히 조절할 수 있다는 것입니다.

 

 주입 후 약 600~1000℃ 정도의 온도에서 열을 가하여 주입 영역을 어닐링 함으로써 실리콘 내의 불순물의 농도를 정확히 얻어낼 수 있고, 에너지를 조절하여 침투 깊이를 조절할 수 있습니다.

출처: 삼성 반도체 이야기

 

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이온 주입 장치 구조

이온주입 장치는 아래와 같은 구성으로 이루어져 있습니다.

1. 진공장치
 이온주입 장치는 진공에서 작동되며 펌프를 이용해 진공상태를 만들고 있습니다.

2. 이온 공급장치
 이온 공급장치는 중성원자에서 전자를 떼어내어 양으로 대전된 입자를 만드는데, 이렇게 만들어진 양이온이 이온주입에 사용됩니다.

 

 사용되는 불순물은 붕괴, 인, 비소 등이 있는데 이것은 강온에서는 기체가 아니므로 분자 화합물의 기체를 사용합니다.

3. 분류기
질량 분석기 원리를 이용하여 원하는 원자량만을 지닌 양이온을 분류해 내는 장치입니다.

 

4. 가속기
분류기에서 분류된 이온이 전위차를 지니는 지역에 놓이면 가속되는데, KV의 전압이 가속기에서 공급되면 이온은 E=qV로 KeV의 에너지를 가지고 가속됩니다.

5. 집속기
중성원자가 이온화되어 이동할 때 양이온들의 뭉쳐진 상태이므로 서로 반발력에 의해 이온빔이 퍼져서 나가게 됩니다.

 

 이러한 경우에 실리콘에 주입될 경우 이온의 분포가 균일하지 않은 문제가 발생하게 되는데, 이것을 개선하기 위해 빔의 집속(Focusing)을 하게 되는데, 정전장 렌즈나 저장 렌즈를 이용합니다.

6. 주사기
약 1cm 정도의 이온빔을 Wafer에 균일하게 분포하게 하려면 빔의 주사가 필수적인데, 그 주사 방법에 따라 전기적 방식, 기계적 방식, 혼합 방식으로 나눌 수 있습니다.

전기적 방식은 Wafer는 고정하고 이온빔의 통로에 X-Y 방향에 전압을 인가하여 X-Y 방향으로 번갈아서 주사하는 방식입니다.

 

 기계적 방식은 이온빔을 고정하고 Wafer가 놓이는 부분을 회전이나 수평 수직운동을 하게 하여 주사하는 방식입니다.

 

 혼합방식은 이온빔이 평면상에서 한 방향으로만 움직이고 Wafer가 이와 직교하여 움직여서 주사하는 방식으로, 균일도는 주사하는 편향판에 따라 다르나 보통 혼합방식이 균일도가 좋은 편입니다.

 

7. 이온 주입실
 이온이 Wafer에 주입되는 지역으로 Chamber Type으로는 Single이나 Batch Type이 있는데 보통 처리량을 고려하여 이온빔의 전류가 적은 경우는 Single, 전류가 많은 경우는 Batch Type이 사용됩니다.

 

 이곳에서 중요한 것은 실제 이온 주입되는 양을 계산해 주고, 기판에서 튀어나오는 전자나 이온을 잡아들이는 역할을 하는 Faraday cup입니다.

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이온주입 공정의 장점과 단점

이온 주입 공정의 장점은 아래와 같습니다.

1. 불순물의 주입량 조절과 정확성
이온 주입 장비는 Dose량의 계산에 용이합니다. 양이온 1개가 웨이퍼에 주입됨과 동시에 접지된 웨이퍼에서 전자 1개가 올라와서 흐른 1개를 계산하는데, 이때 웨이퍼를 통해서 흐르는 전류를 모두 적분해 주므로 단위 면적당의 전체 전하의 양을 정확히 계산하여 조절함으로 주입량의 정확성이 화학 기상 증착 방식보다 우수합니다.

2. 분포 모양의 조절
이온빔은 큰 에너지를 가지고 있어 어느 재료든 침투합니다. 그때의 이온주입 분포는 그 모양이 거의 가우시안 (Gaussian) 분포를 이루게 됩니다.

3. 측면 퍼짐의 감소
 큰 에너지의 이온이 직진성을 가지고 주입되기 때문에 열확산 공정에 비해 측면 퍼짐 현상이 적습니다.

 

 아래 그림에서 보듯이 마스크 밑으로는 측면 퍼짐은 이온주입 공정보다 열확산에서 크게 나타나는데, 측면 퍼짐은 수직거리의 깊이 대비 0.8배가 됩니다.

 

4. 저온 공정
이온주입 공정 진행 기 웨이퍼가 놓이는 부분에 Cooling 방식이 적용되어 실리콘 웨이퍼와 표면층이 상온에 가깝기 때문에, 상온에서만 안정된 재료인 감광막을 마스크로 사용할 수 있는 이점이 있습니다.

 

 그러나 많은 양의 불순물, 높은 에너지의 불순물이 감광막에 주입되면 감광막이 화학적으로 변질될 수 있습니다. 이런 경우에는 에칭 시 플라스마 조건을 보다 강화해 PR을 벗겨내야 합니다.

 

 불순물이 적절히 마스킹되기 위해서는 이온주입 에너지가 높을수록 마스크의 두께를 증가시켜 주어야 합니다.

 

5. 불순물의 균일성
 제품이 초고 집적화될수록 전체 Chip에서 불순물의 농도가 균일해야만 생산 수율을 높일 수 있습니다.

 

 열 도핑에서는 기체가 흐르는 모양에 따라 그리고 불순물이 소모됨에 따라서 농도의 분포가 달라지는 단점이 있는데, 이온주입은 Focused Ion Beam이 Scanning 방식에 의해 주입되므로 웨이퍼 내에서 1% 이내의 균일성을 가질 수 있습니다.

6. 다양한 불순물 공급원
 열확산에 의한 불순물을 도핑할 경우 B, P는 As에 비해 확산 속도가 빨라서 원하지 않는 지역까지 침투하여서 제품의 특성을 변화시킬 수 있습니다.

 

 그러나 As는 확산이 잘되지 않기 때문에 이러한 문제를 해결할 수 있습니다. As를 실리콘으로 확산시키는 기술은 어렵고 위험하지만, As를 이온 주입하는 것은 간단합니다.

 

 이온 주입공정의 단점으로는 고가의 장비, 실리콘 기판에 손상, 이온주입 깊이의 한계가 있고, 추가적인 어닐 공정이 필요합니다.

이온주입은 실리콘 기판 내의 특정 부위에 전류가 쉽게 흐르도록 하기 위해 특정 부위에 외부에서 불순물을 삽입시키는 반도체 제조 기술입니다.

 

 확산이 불순물의 농도와 분위기, 온도 등에 의해 진행되는 자연현상인 데 비해, 이온주입은 장비에서 제공되는 조건으로 상온에서 진행되는 공정제어가 우수한 기술입니다.

 

 마치 여러 가지 총을 지닌 사람, 즉 장비가 벽에 총알을 쏘는 것과 같다고 할 수 있습니다. 어떻게 설정하느냐에 따라 불순물의 분포 형태나 깊이를 조절하기가 용이합니다.

 

 이온주입에 대한 연구로서 이온의 분포 범위, 방사능 손상과 이온 채널링, Shadowing 현상, Charging defect, 어닐링 등에 대해 많은 연구가 진행되어 왔고 제조 기술에 응용에도 점차 확대되고 있습니다.

 

 

반도체 8대공정 요약 정리