반도체 8대 공정 - Doping 공정 (5)

이온 주입기의 질량분석기 (Mass analzer)부터 이어서 보도록 하겠습니다,

 

이온 소스에서 전압 V로 추출된 운동에너지 -1/2mv^2 = qV를 갖는 이온이 Analyzer Magnet의 자기장 B를 통과하면 mv^2/R = qvB의 원운동을 하게 됩니다. 이 두 식을 정리하면 m/q = B^2*R^2/(2V), 즉 원하는 이온(m/q)을 고정된 반지름 R을 가진 장치에서 자기장 B를 조절해서 분리해 낼 수 있습니다. 이렇게 추출된 원하는 이온을 빔라인부에서 원하는 에너지로 가속시키고 집속(Focusing)시킵니다. 이렇게 집속 된 빔을 웨이퍼 표면에 주사(Scanning)하여 이온 주입(Ion Implanation)을 진행합니다. 주입된 이온의 양은 Faraday Cup이라는 장치를 이용해 측정하고 Dose(주입된 이온수/cm^2)로 표시합니다.

 

 

이온 주입 공정

 

이온 주입 방식으로 원하는 이온을 정확한 에너지로 정확한 양을 웨이퍼상에 마스크로 가려지지 않은 부위에 주입할 수 있어, 확산 방식의 도핑과 비교할 때보다 정확한 소자 제작이 가능하게 됩니다. 이온 주입 에너지에 따른 불순물 농도 형상(Profile)은 다음과 같습니다. 에너지 크기에 따라 이온 주입 깊이가 달라지고 정확한 Junction 깊이를 갖는 소자를 제작할 수 있습니다. 단, 이온 주입은 단결정 구조에 원자 크기의 이온을 주입하는 것이기 때문에 결정 구조 방향에 따라 이온 주입 깊이가 영향을 받을 수 있습니다. 이온 주입 각도에 따라 원자들과 충돌 없이 이온이 깊이 들어가는 현상이 발생할 수 있는데, 이러한 현상을 채널링(Channeling)이라고 합니다.

채널링을 방지하기 위해 결정 구조 안에서 이온이 수직 방향으로 움직이지 않게 만들어 주는 방식을 채택합니다. 실제 공정에서는 장비에서 이온 주입을 할 때 이온주입되는 웨이퍼 표면에 산화막이 있는 상태로 주입하여 실리콘 결정 구조가 표면에 노출되지 않도록 하는 방법과 이온 주입 방향을 웨이퍼 표면 수직 방향과 약간 틀어지게 하는 방법(7도 Tilting), 실리콘 웨이퍼 표면에 Si 또는 Ge 이온 주입 등을 하여 표면을 비정질화한 후 원하는 불순물을 이온 주입하는 방법(Pre-Amorphizing Implant, PAI) 등이 사용됩니다.

틸트의 경우 이온 주입 시 격자와의 충돌이 더 많이 일어날 수 있도록 만드는 방법이며, 표면에 산화막이 있는 상태에서 이온을 주입하는 경우나 PAI 후 이온을 주입하는 경우 비정질 층을 지나면서 이온의 방향이 다양한 방법으로 바뀌게 되면서 채널링이 일어나는 확률을 줄이게 됩니다.

 

다음 게시물에서 이어집니다.