반도체 8대 공정 - Doping 공정 (7)

지난 시간에는 이온 주입 방법이 실리콘 격자 구조에 손상을 주므로 후속 열처리(Annealing)를 하는 것까지 알아보겠습니다. 이번 시간에는 후속 열처리 후에도 남아있을 수 있는 단점에 대하여 알아보며 시작하겠습니다.

 

이온 주입 공정은 고에너지 이온이 실리콘 격자와의 충돌에 의한 손상이 열처리(Anneal) 후에도 Dislocation 등 결함으로 남아 있을 수 있고 이 경우 p-n 접합 누설 전류가 증가합니다. 따라서 이온 주입 공정 후 적절한 열처리 공정은 매우 중요합니다. 보통 저온(500~600도)에서 이온 주입에 의해 비정질화된 실리콘이 재결정화되면서 결함이 제거되지만 활성화를 위해서는 고온(750~900도)에서 긴 시간(>30분) 동안 열처리를 하게 됩니다. 그러나 이 경우 소스/드레인 접합 깊이가 너무 깊어지는 문제가 있습니다. 이를 극복하기 위해서 초고온(900~1100도)에서 아주 짧은 시간(몇 초) 열처리하여 Shallow Juction을 만들게 됩니다. 이렇게 빠른 열처리를 하기 위해서는 Furnace와 같은 Hot wall 방식 대신 RTP(Rapid Thermal Processing)와 같이 실리콘 웨이퍼만 가열하는 낱장(Single Wafer) 방식의 Cold-wall 장비를 사용하게 됩니다.

최근에는 더 낮은 Shallow  Junction을 위해 웨이퍼 표면에만 micro-second ~ nano-second로 가열하는 Flash Anneal과 Laser Anneal이 도입되어 사용 중입니다. 이처럼 가해지는 에너지는 높이면서 시간을 줄이게 되면 활성화 측면에서는 동일한 결과를 얻을 수 있지만 시간을 줄임으로써 필요치 않은 물질의 확산을 막을 수 있어 소자의 사이즈가 작은 최신 공정에 유리해지게 됩니다. 나노미터 단위의 소자에 있어서 수 나노 정도의 확산이라 할지라도 소자의 전기적 특성에 미치는 영향은 매우 크기 때문입니다.

 

열처리 방법 비교 (RTA vs Flash vs Laser)

 

Furnace Anneal

가열 범위 : Wafer 전체

열원 : Coil

가열 시간 : 약 2~8h

가열 온도 : ~1200도

방식 : Batch type

 

Rapid Thermal Anneal

가열 범위 : Wafer 전체

열원 : Halogen lamp

가열 시간 : 1~100s

가열 온도 : 1300도 수준

방식 : Single wafer (One shot one wafer)

 

Laser Anneal

가열 범위 : Wafer 표면

열원 : XeCl or KrF excimer laser

가열 시간 : Milli-second

가열 온도 : 2000도 수준

방식 : Simgle wafer (Line scan)