2023. 6. 8. 00:03ㆍ반도체
지난 게시물과 이어집니다.
이온 주입 시 채널링 방지를 위해 각도를 줘서 7도 정도 틸트를 하는 경우 이온 주입될 영역 주변의 구조물로 인해 입사되지 않는 영역이 발생합니다. 이온이 수직으로 입사되는 경우와는 다르게 말입니다. 이 현상을 그림자 효과(Shadow effect)라고 하는데, 폴리실리콘의 구조물에 각도를 가지고 이온이 입사되기 때문에 경계면 근방에 이온이 주입되지 않습니다. 이러한 현상을 개선하기 위해 웨이퍼를 0도, 90도, 180도, 270도로 회전하면서 이온 주입을 하게 되는데, 그 양을 1/4씩 하게 되면 원하는 양의 이온 주입이 그림자 효과가 개선된 상태로 진행됩니다.
확산 방식과 이온 주입 방식의 특성을 비교해 보겠습니다.
Diffusion
- 높은 온도의 공정
- SiO2와 같은 하드마스크 필요
- 등방성의 도펀트 프로파일
- 도펀트 농도와 접합 깊이를 단독 조절하는 것이 불가능함
Ion Implantation
- 낮은 온도의 공정
- PR 마스크로 가능
- 이온성의 도펀트 프로파일
- 도펀트 농도와 접합 깊이를 단독 조절하는 것이 가능함
확산 방식은 마스크 아래로 도펀트가 퍼지는 등방성 프로파일을 가지는 데 비해, 이온 주입 공정은 비등방성 도펀트 프로파일을 가지므로 반도체 소자의 집적도가 높아질수록 유리합니다. 반면에 이온 주입 방법은 불순물을 강제로 실리콘 격자(Lattice) 구조로 넣는 방식이기 때문에 실리콘 격자 구조에 손상을 줍니다. 이러한 손상은 실리콘의 단결정의 비정질화, 불순물이 치환 위치(Substitutional Site)에 있지 않고 격자 중간에 위치해 있는 것, 격자 구조에 Dislocation 등의 결함(Defect)이 발생하는 것 등을 통칭합니다. 따라서 불순물이 치환 위치를 차지하고 있고 결함이 없는 단결정 구조로 회복시키기 위해서는 후속 열처리를 진행해야 합니다. 이러한 열처리를 Annealing이라고 합니다.
Annealing 공정을 진행하게 되면 이온 주입 시 격자가 깨져서 비정질화된 영역이 다시 결정화되게 되는데, 이를 재결정화(Re-crystaliztion)이라고 합니다. 이러한 열공정이 진행되는 과정을 자세히 살펴보면 비정질화된 영역과 영향을 받지 않은 단결정 영역의 계면에서부터 원자들이 단결정과 같이 재배열이 일어나면서 표면까지 재결정화가 진행됩니다. 이렇게 진행되면서 동시에 주입된 이온들이 단결정 원자 site에 위치하게 됩니다. 즉, 이온 주입 후 후속 열처리에 의해 비정질화된 실리콘이 재결정화되면서 주입된 이온도 그 결정성 내에서 치환되어 들어가며, 비로소 전기적인 특성을 낼 수 있는 불순물로서의 역할을 하게 됩니다.
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