반도체 8대 공정 - Doping 공정 (3)

지난 시간에 이어서 Doping 공정의 확산 공정 방식에 대하여 더 알아보겠습니다.

 

확산 공정은 실리콘 단결정의 손상 없이 P형, N형 반도체를 형성할 수 있다는 장점이 있지만, 정확한 불순물 양을 조절하기 힘들고 Junction 깊이를 정확히 조절하기 힘들다는 문제점이 있습니다. 특히 불순물 농도가 소스/드레인과 같이 ~10^15/cm^2 정도로 고농도일 때는 농도 조절에 크게 문제가 없지만, 10^11~10^12/cm^2 정도로 낮은 농도를 정확하게 조절해야 하는 문턱 전압 조절용 도핑은 불가능합니다.

가장 문제가 되는 것은 Drive-in 공정 진행 시 등방성으로 불순물의 확산이 진행되는데, 수평적으로 확산이 진행되면 최근에 미세화된 소자를 구현하기가 어려워집니다. 과거에는 소자의 크기가 컸기 때문에 수평적으로 확산이 되는 거리를 미리 계산하여 사용하였지만, 최근에는 이마저도 정밀한 소자의 특성을 제어할 수 없기 때문에 이온 주입공정을 이용하여 도핑 공정을 진행하고 있습니다.

 

 

확산 후 농도 분포 평가 방법

 

실리콘에 주입된 도펀트의 농도 분포를 측정하기 위해서 많이 사용하는 방법은 이차 이온 질량 분석법(Secondary Ion Mass Spectroscopy, SIMS)의 물리적인 평가 방법과 확산 저항 단면도법(Spreading Resistance Profiling, SRP)의 전기적인 평가 방법을 들 수 있습니다. 먼저, 이차 이온 질량 분석법은 도핑된 샘플을 표면으로부터 깊이 방향으로 스퍼터링 하면서 튕겨져 나오는 이온의 질량을 분석하여 깊이 방향에 따른 농도를 분석하는 장치입니다. 이온빔을 샘플의 표면에 주사하면 소스 이온의 에너지에 의해 샘플의 표면으로부터 실리콘에 주입된 도펀트와 실리콘이 스퍼터링 되게 됩니다. 소스 이온은 주로 세슘(Cs)나 산소를 사용하게 되는데, 이는 분석 물질에 따라 분석에 더 효율적인 소스를 선택하게 됩니다. 스퍼터링 된 샘플의 물질은 실리콘과 도펀트의 결합된 수에 따라 질량(mass)이 달라집니다. 확률적으로 도펀트만 있을 경우, 실리콘만 있을 경우, 두 물질이 여러 조합으로 결합되어 있는 경우 등 다양한 질량이 존재할 수 있습니다. 이렇게 스퍼터링 된 이차 이온들은 전자석으로 구성된 질량분석기를 통과하게 되는데, 일정한 전자기력을 받게 되면서 질량이 큰 경우 크게 되고 질량이 작은 경우 적게 휘어 검출기에 도달합니다. 검출기에서는 위치에 따라 도달하는 이온들의 개수를 세어 질량에 따른 확률 분포를 파악할 수 있습니다. 이러한 과정이 샘플의 깊이 방향으로 계속 스퍼터링 되면서 검출되는 이온의 양을 정량적으로 측정하여 샘플의 깊이 방향에 따른 도펀트의 농도를 프로파일링 할 수 있습니다. 다만, 주의할 점은 검출되는 도펀트의 농도는 전기적으로 활성화(activation)된 상태가 아니라 주입된 모든 도펀트가 검출된다는 특성이 있습니다.