2023. 5. 25. 00:23ㆍ반도체
지난 시간의 개요에 이어서, 오늘은 Doping 공정에 대하여 자세히 알아보겠습니다.
확산 원리
확산 공정은 불순물을 포함한 가스(B2H6, PH3, AsH3 등)나 액체(POCl3), 고체(BN) 등을 확산원(Diffusion source)으로 하여 후속 열처리 과정을 통해 실리콘 내부로 확산(Diffusion)시키는 공정을 사용합니다.
확산의 기본 개념은 농도 차이에 의하여 물질이 농도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하는 현상인데, 가장 중요한 파라미터는 농도의 차이가 얼마나 나는지와 온도, 그리고 시간으로 볼 수 있습니다. 두 물질이 접합을 이루고 있는 상태에서 농도 차이에 의한 확산이 일어나게 됩니다. 접합면에서부터 양 방향으로 확산이 일어나게 되고 시간이 흐르면서 확산이 계속 진행되어 이동하는 물질의 거리가 커지게 됩니다. 확산 거리는 온도아 시간의 함수이며, 이를 컨트롤함으로써 물질이 확산되는 거리를 조절할 수 있습니다.
확산은 이론적으로 Fick의 제1법칙과 제2번칙으로 설명될 수 있습니다.
수식은 다음과 같이 표현됩니다.
Fick의 제1법칙
J = -D*(ac/ax)
J : Flux density (atoms/cm^2*s)
D : Diffusion constant (cm/s^2)
C : Concentration (atoms/cm^3)
Fick의 제2법칙
ac/at = D * a^2c/ax^2
t : tame (s)
Fick의 제1법칙은 농도차에 의해 일어하는 확산은 물질마다 다른 확산계수를 가지고 있으며 Flux의 개념이 농도와 거리 차이로 계산됨을 알 수 있습니다. 또한, Fick의 제2법칙은 시간의 개념이 포함되는데, 이 수식을 경계 조건을 넣어 풀게 되면 결국 불순물의 농도, 시간, 온도를 알면 얼마나 확산되어 Si 쪽으로 들어가는지를 정확히 구해낼 수 있습니다. 이러한 계산을 통해 열확산을 통해 불순물을 확산시켜 원하는 소자의 단자를 구현하는 방법으로 반도체에서 이용합니다.
확산 공정 방식 (Pre-depostion, Drive-in)
확산 현상을 반도체 불순물 주입 공정에서 이용하는 방식은 Pre-depostion과 Drive-in의 단계로 이해할 수 있습니다. Pre-depostion은 개념적으로는 도펀트를 실리콘의 표면 쪽에 증착하듯이 많은 양을 주입하는 것을 의미합니다. 보통 1000도 수준의 온도에서 산소 분위기에서 불순물이 주입되며, 표면에 불순물이 산화된 형태로 얇은 막처럼 증착되는 현상이 발생하게 됩니다. 이렇게 형성된 B2O3나 P2O5의 불순물이 산화된 형태의 물질은 Si과의 반응에서 SiO2가 더욱 안정된 물질이기 때문에 산소와 실리콘이 결합하게 되고 B와 P가 실리콘으로 도펀트로서 주입되게 됩니다. 그 이후 Drive-in이 바로 진행되는데, 물질에 따라 다르지만 1000~1200도의 온도에서 수시간동안 열처리를 하게 되면 Pre-depostion 단계에서 주입된 도펀트가 소자의 깊이 방향으로 확산되어 계산된 거리만큼 들어가게 되고, 표면으로부터 깊이 방향으로 도펀트 농도의 분포를 가지게 됩니다.
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