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이온주입
이온주입(Ion Implantation)은 소스가스를 이용해 만든 이온을 웨이퍼에 물리적으로 주입하는 공정으로, 이는 절연 재질의 도전성을 높이거나 준(準)도전성으로 바꿔 소스/드레인 단자 혹은 특정 영역에 영향을 끼친다. 이온주입을 도입하기 이전에는 확산 방식으로 반도체 단자를 만들었으나, 기술이 발전함에 따라 확산보다는 이온주입 방식을 대부분 적용하고 있다.
이온주입 공정은 20세기 신연금술이라 할 수 있다. 인류는 오랜 세월 숱한 시도에도 금이 아닌 것을 금으로 바꾸는 연금술에 결국 실패했지만, 실리콘 웨이퍼를 도핑(Doping)하여 반도체로 재탄생시킴으로써 금보다도 더욱 가치 있는 물질을 얻게 됐다.
목차
개요
이온주입이란 반도체가 전기적 특성을 갖게 하기 위해 이온을 목표물의 표면을 뚫고 들어갈 만큼 높은 에너지를 갖도록 전기장으로 가속하여 목표물 속으로 넣어주는 공정이다.
반도체는 전기 전도도가 도체와 부도체의 중간 정도 되는 물질을 말하고, 대표적인 예로 실리콘(Si) 저마늄(Ge) 갈륨아세나이드(GaAS)등이 있다. 하지만 순수한 상태의 반도체는 부도체처럼 전류가 거의 통하지 않는다. 그렇기 때문에 특정 불순물을 첨가하여 전기 전도도를 늘려 도체처럼 전류가 흐르는 특성을 갖게 해야 한다.
보통 원자들은 안정한 상태로 변하려는 성질이 있기 때문에, 최외각 전자를 8개 채우려는 성질을 갖고 있다. 그렇기 때문에 최외각 전자를 4개 가진 Si원자는 이웃하는 전자끼리 공유결합을 이뤄 8개의 최외각 전자를 가진 안정된 상태를 유지한다. 이런 형태의 반도체를 진성 반도체라고 한다. 하지만 진성 반도체는 자유전자가 없기 때문에 전류는 흐르지 못하는 상태이다.
이런 진성반도체에 특정 불순물을 주입하면 어떻게 될까? 이때 불순물을 이온(Ion)이라고 하는데, 이온을 미세한 가스입자로 만들어 원하는 깊이만큼 웨이퍼 전면에 균일하게 넣어준다. 3족 원소는 최외각 전자를 3개 가지고 있다. 이를 실리콘에 주입하면 최외각 전자 3개를 공유결합하고, 전자 하나가 비어있는 상태, 즉 '정공(Hole)'이 생긴다. 이때 실리콘에 전압을 걸어주면 전공이 이동하며 전류가 흐르게 되는데 이때 3족 원소를 억셉터(Acceptor)라 하고 이 반도체를 P형 반도체라고 한다.
반대로 5족 원소는 최외각 전가를 5개 가지고 있다. 5족 원소를 실리콘에 주입하면 최외각 전자 4개를 공유결합하고 남은 한 개의 '자유전자(Electron)'가 돌아다니게 된다. 이때 실리콘에 전압을 걸어주면 전자가 이동하여 전류가 흐르게 되는데 이때 5족 원소를 '도너(Doner)'라고 하고 이를 N형 반도체라고 한다.
그리고 이렇게 반도체에 전기적 특성을 갖게 해주는 Doner와 Acceptor를 도펀트(Dopant)라고 한다.
주입방법
도펀트(Dopant)는 어떻게 반도체에 주입을 하게 될까?
열 확산 공정 (Thermal Diffusion)
열 확산 공정은 산화공정과 비슷하게 가스 형태로 불순물을 공급하여 높은 온도로 가열해 반도체 내부로 불순물이 확산해 들어가는 방법이다.
이런 열 확산 방법은 값이 싸고 쉽다는 장점이 있지만, 확산에 의한 도핑이기 때문에 간단한 도핑 프로파일을 가져 정밀한 농도 제어가 어렵고 높은 공정 온도가 높아 Thermal Budget이 좋지 않다는 단점이 있다.
Thermal Budget는 반도체 제조 공정 중 웨이퍼가 열에 노출되는 총 시간을 의미하는데, 특정 온도와 시간 동안 웨이퍼가 받는 열의 영향을 의미한다.
이온주입 공정 변수
이온주입 공정을 하는 데에도 여러 공정 변수가 존재한다. 그 변수에 따라 도핑 농도와 깊이를 조절할 수 있다.
- 1) 도펀트(Dopant)
도펀트의 종류(As, P, B, Ge 등)에 따라 고체 용해도가 다르기 때문에 도펀트의 종류는 도핑 농도에 영향을 끼칠 수 있다.
- 2) 에너지(Energy)
에너지가 높을수록 도펀트가 깊숙하게 들어갈 수 있다. 충분하지 않은 에너지의 이온을 주입한다면 들어가 박히지 않고 튕겨져 나올 수도 있고, 원하는 위치에 도핑이 되지 않는다.
- 3) 단위 면적당 도핑 정도(Dose)
단위 면적당 도핑을 많이 할수록 전도도가 올라가는 편이지만 과하게 도핑을 할 경우 전자가 생성되지 않아 오히려 전도도가 떨어지게 된다. 따라서 도핑 시 적당량의 Dose를 선택해야 한다. (1E^11~5E15)
- 4) 기울기(Tilt)
이온주입 시 이온이 원자에 부딪히지 않고 깊숙이 들어가는 현상을 Channeling 현상이라고 한다. 이런 현상을 막기 위해서 약 7° 정도 기울여 이온 주입을 해주거나 표면에 Oxide를 형성시켜 막을 수 있다.
주입 원리
바로 Ion source에서 불순물의 이온들이 생산된다. 그리고 생산되지 않길 바라는 이온들이 생성되었을 경우를 대비해, 원하지 않는 이온들을 제거하는 질량분석기 속으로 가속된. 결과적으로 이온 빔은 설정해둔 동작 전위로 가속되고, 초점을 맞춘 후 최종적으로 웨이퍼의 표면 위로 주사된다.
이온주입 과정
우선 인플란트 장비를 이용하여 웨이퍼에 원하는 도펀트를 도핑 해준다.
인플란트 장비는 다음과 같은 구조를 갖고 다음과 같이 동작하게 된다.
- 1. Source
(1) 필라멘트에 전류를 흘려주어 열전자를 방출시키고, Arc Voltage와 Arc current 조절을 통해 주입된 Dopant Gas로 부터 원하는 이온을 플라즈마 형태로 발생시킨다.
(2) 이렇게 형성된 이온을 Extraction Voltage와 Current를 통하여 일정한 에너지를 가지도록 해 Ion source를 형성해 준다.
(3) 이렇게 형성된 Source에는 도핑 하기 원하는 이온뿐 아니라 다른 물질도 많이 포함돼있기 때문에, Analyzer magnet으로 질량 차이를 이용해 원하는 이온만을 추출해 준다.
- 2. Beam line
(1) 형성된 Ion을 집속 시켜 Beam을 형성시키는 부분
(2) Analyzer를 통해 원하는 Ion을 추출한 다음, Accelerator서 에너지를 걸어준다.
(3) Extraction Voltage는 Power supply에 따라 다르지만 일정 전압 이상 걸어주기 힘들기 때문에, 남는 전압을 Accelerator을 통해 가해준다.
(4) 형성된 Beam을 Deflector와 lens magnet을 조절하여 Wafer에 집속 시켜 최종적으로 Beam을 형성시킨다.
- 3. End station
(1) wafer에 이온이 주입되는 부분
(2) 형성된 Beam이 Slit을 통과 후 Scan을 통해 Line의 형태로 Wafer에 주입
(3) 한 장의 wafer가 상하로 이동하며 wafer 전면에 균일한 이온 주입 가능
(4) 주입된 Beam Current의 양을 Detect하여 원하는 Dose양에 이르면 주입 완료
어널링(Annealing)
이온주입 공정은 물리적으로 이온을 웨이퍼에 주입을 하는 공정이기 때문에, 손상된 웨이퍼를 복구하기 위해 어닐링(Annealing) 공정이 수반된다. 어닐링 공정은 손상된 웨이퍼 표면을 복구하기 위해 고온에서 하는 화학적 열처리 공정을 뜻한다.
어닐링에도 여러 공정이 있지만, 이온 주입 공정후에는 도펀트들의 확산을 최소화시킬 목적으로 일반적인 열처리에 비해 온도를 급속히 상승시키고 급속히 냉각시키는 급속 RTA(Rapid Thermal Annealing) 방식을 선호한다. 일반적인 열처리를 진행하는 Full-batch type과는 히터를 사용해 열에너지를 공급하는 것과는 달리, RTA는 텅스텐 할로겐 램프로 적외선 복사광선을 웨이퍼에 순간 공급하여 열에너지를 공급한다.
온도를 빠르게 상승시키며 한번에 1장의 웨이퍼씩 어닐링을 진행한다. Full-batch type은 고온의 열을 오래 유지할 수 있어서 한번의 수백장의 웨이퍼를 퓨너스(Furnace)에 넣고 진행한다. 그럼에도 불구하고 RTA방식이 굉장히 빠르기 때문에, 수백장씩 진행하는 Full-batch type과 크게 시간적 손해를 보지는 않는다.
두개의 방식 모두 장단점과 활용도가 다르기 때문에 복합형을 연구하는 개발이 이루어지고 있다.
참고자료
- SK하이닉스, 〈반도체 탐구 영역 이온주입(Ion Implantation) 편〉, 《SK하이닉스》, 2021-07-03
- 상재리,〈반도체 8대 공정 #3 :: 이온 주입 공정 (Ion Implantation)〉, 《네이버 블로그》, 2024-06-08
- 정척박사,〈반도체 공정 이온 주입 공정 (Ion Implantation)과 어닐링(Annealing)〉, 《네이버 블로그》, 2021-01-026
같이 보기
