이온주입 공정

기출문제 풀이

기출문제 ❶

이온주입 공정에 대해 설명하시오.

STEP1 접근 전략

• 설명형 문제이며 난이도는 중 수준으로 이온주입 공정 전반에 대한 지식을 묻는 문제이다.

• 이온주입 공정의 정의 및 도입 배경에 대해 설명한다.

• 이온주입 장치의 주요 구성 요소별로 이온주입 공정의 원리를 설명하고, 이온주입 공정의 장단점과 문제점에 대한 해결책을 제시한다.

STEP2 답안 구조화 TIP

Q 이온주입 공정?

• 정의: 입자(이온) 가속 → 웨이퍼에 도펀트 주입

• 원리: 도펀트 가스 이온화 → 추출 → 질량분석 → 가속 → 웨이퍼 내 주입 → 도즈 카운팅

• 장점: 저온, 비등방성 확산, 농도 및 접합 깊이 독립적 제어(확산 공정의 단점 극복)

• 단점

- 결정 손상 → 아닐링

- 생산성↓ → 준 일괄처리 방식

STEP3 모범답안

이온주입 공정은 이온을 가속시켜 웨이퍼에 도펀트를 주입함으로써 반도체에 전도성을 부여하는 공정입니다. 이온주입 장치의 주요 구성 요소별로 그 기능을 설명함으로써 이온주입 공정의 원리를 설명하도록 하겠습니다. 먼저 ① 이온 소스(Ion source)부에서는 진공 챔버에 이온을 만들기 위한 반응 가스를 주입한 후 방전을 일으켜 플라즈마(Plasma)를 발생시키고 강한 전압을 인가하여 플라즈마 내의 양이온을 추출합니다. ② 질량분석기에서는 이온 소스에서 추출된 다양한 이온들 중 도펀트로 사용하고자 하는 이온만을 선별하고 ③ 가속기(Accelerator)에서는 웨이퍼 내 원하는 깊이(X_j)까지 도펀트를 주입하기 위해 선별된 이온을 더 강한 전압으로 추가 가속시키게 됩니다. ④ 이온 빔 주사 장치(Ion beam scanning)에서는 수평 및 수직 전계를 인가하여 이온 빔을 상하, 좌우로 스캐닝하여 웨이퍼 상에 고르게 주입되게 합니다. ⑤ 웨이퍼 스테이지(Stage)는 매엽식 주사(Single wafer scanning) 또는 여러 장의 웨이퍼를 휠(Wheel)이나 디스크에 붙여 생산성을 향상시키고자 고안된 준 일괄처리(Semi-Batch) 방식의 웨이퍼를 장착하는 장치와, 원하는 도즈만큼 이온주입이 완료되었는지를 감지하는 패러데이 컵(Faraday cup)으로 구성됩니다. 이온주입 공정은 이온 빔(Beam) 전류와 가속 에너지를 제어함으로써 정확한 도핑량(도즈, Dose)과 접합 깊이(Junction depth, X_j)를 제어할 수 있고 이로써 도펀트의 농도와 접합 깊이의 독립적 제어가 가능하며, 저온 공정이므로 비등방성(Anisotropic) 확산이 일어나 소자의 미세화가 가능하다는 장점으로 이전 사용하던 확산 공정의 문제점을 극복할 수 있게 되었습니다. 그러나 높은 에너지의 이온을 주입함으로써 실리콘 웨이퍼에 격자 결합 등의 손상을 줄 수 있고, 일괄처리(Batch type) 방식인 확산 공정 대비 생산성이 낮고 설비가 고가라는 점 등의 단점이 있습니다. 결합 등의 손상은 고온(1,000 \sim 1,400^\circ\text{C}), 단시간(수 \mu\text{sec} \sim \text{msec})의 급속 열처리(Rapid Thermal Annealing, RTA) 공정을 적용하여 해결하고, 생산성은 앞서 설명한 준 일괄처리(Semi-Batch) 방식 및 짧은 이온주입 시간으로 해결하고 있습니다.

기출문제 풀이

기출문제 ❷

이온주입 공정에서 채널링 효과의 원인과 해결책을 제시하시오.

STEP1 접근 전략

• 설명형과 솔루션형의 혼합형 문제이며 난이도는 중 수준으로 이온주입 공정에서 자주 출제되는 기본적인 문제이다.

• 채널링에 대한 정의를 먼저 설명하고,이온 입사각의 변화 및 실리콘 표면의 비정질화의 2가지 해결책을 제시한다.

STEP2 답안 구조화 TIP

Q 채널링(Channeling)?

• 채널링 정의: 원자 간 빈 공간을 따라 이온주입 → 예상보다 깊은 접합 깊이

• 해결책

- 이온 입사각도 변화 → 웨이퍼 틸트(Tilt) 및 트위스트(Twist)

- 실리콘 표면 비정질화 → 희생 산화막 증착 및 Pre-Amorphizing Implant(PAI)

STEP3 모범답안

단결정 실리콘 웨이퍼와 같이 규칙적인 원자 배열일 경우, 주입되는 이온이 원자 간 빈 공간을 따라 예상한 깊이보다 더 깊이 들어가 원하는 농도 프로파일을 얻는 데 실패하는 경우가 있는데, 이를 채널링(Channeling) 현상이라고 합니다. 이 현상은 웨이퍼의 결정 방향, 이온의 주입 입사각도, 에너지 등에 영향을 받으며, 해결책으로는 2가지 정도가 있습니다. 먼저 가장 보편적인 방법은 웨이퍼의 방향을 약간 틀어 원자 간 빈 공간을 최대한 줄여 상대적으로 이온 주입 입사각도에 변화를 주는 방식입니다. 통상, 웨이퍼를 Z축 방향으로 7° 기울이고(Tilt), XY방향(방위각)으로 20° 정도 돌려(Twist) 이온을 주입함으로써 채널링 감소에 적용하고 있습니다. 두번째는 실리콘 표면을 비정질화시켜 주입된 이온의 방향을 무작위(Random)하게 만들어 채널링을 개선하는 방법으로, 이온주입 전에 희생 산화막을 얇게 성장시키는 방법 또는 실제 도펀트 이온주입 전 실리콘 또는 게르마늄 등을 미리 이온주입하여 실리콘 표면을 비정질화하는 선 비정질화(Pre-Amorphizing Implant, PAI) 방법 등이 있습니다.

핵심 이론 정리

1. 이온주입 공정의 개요

입자를 가속시켜 웨이퍼 내로 도펀트를 주입하는 공정을 이온주입(Ion implantation) 공정이라 한다. 과거 적용되었던 고온의 확산 공정은 [표 3-2]와 같이 등방성 확산으로, 소자 미세화에 불리하여 이온주입 공정으로 대체되었다. 이온주입 공정은 이온 가속 에너지와 이온 빔(Beam) 전류를 제어함으로써 정확한 접합 깊이와 도즈(Dose)를 독립적으로 제어할 수 있고 저온 공정으로 소자의 미세화가 가능하다는 장점이 있는 반면, 고에너지의 이온주입으로 웨이퍼에 손상을 줄 수 있고 채널링(Channeling) 현상 등의 단점이 있다.

2. 이온주입 장비

이온주입 공정은 전기장에 반응하는 (+) 전하의 양이온을 만들고 그 입자들에 강한 전기장을 인가해 가속시키는 과정이 필요하다. [그림 3-48]의 모식도와 같이 ① 이온 소스부, ② 질량 분석기, ③ 가속기, ④ 중성빔 포획 및 빔 게이트, ⑤ 이온 주사기, ⑥ 웨이퍼 챔버 등의 장치로 구성된다.

(1) 이온 소스(Ion source)

도펀트를 포함하는 반응 가스에 방전을 일으켜 주입하고자 하는 이온이 포함된 플라즈마를 만들고, 강한 전기장(V_{ext})을 인가하여 이온 빔을 추출하는 부분으로 도즈(Dose)를 결정짓는 요소이다.

(2) 질량 분석기(Mass spectrometry)

이온 소스에서 추출된 이온의 종류는 매우 다양하다. 이 중에서 도펀트로 사용하고자 하는 이온만을 선별해주는 장치가 질량 분석기이다. v의 속도로 [그림 3-49]의 아래에서 위로 직진하는 이온 빔은 종이면을 뚫고 나오는 방향으로 작용하는 전자석의 자기장(B)의 영향을 받아 그림의 우측으로 로렌츠의 힘이 구심력으로 작용하면서, 이온이 원운동을 하게 된다. [그림 3-49]의 로렌츠의 힘(q(\vec{v} \times \vec{B}))과 구심력(mv^2/R)이 같고, 이온의 전기적 위치에너지(qV)와 운동에너지(1/2mv^2)가 같다는 관계로부터 세 번째 수식을 도출해낼 수 있다. 즉, 가해준 자기장의 크기를 조절하면 이온의 질량(m)에 따라 원운동의 반경(R)이 달라지고, 여기에 적정 자기장을 인가하면 원하는 이온만이 적절한 운동 반경을 가져 작은 슬릿을 통과할 수 있으므로 원하는 이온만을 선별해 낼 수 있는 원리이다.(3) 이온 가속기(Accelerator)

이온 소스부에서 걸어 준 추출 전압만으로는 선별된 이온을 원하는 깊이까지 주입하기 부족한 경우가 있다. 이 경우, 더 강한 전압을 인가해 추가 가속시킬 필요가 있으며, 이렇게 이온의 에너지를 원하는 수준으로 제어하는 역할을 하는 것이 바로 이온 가속기(Accelerator)이다.

(4) 중성 빔 포획 및 빔 게이트(Neutral beam trap and beam gate)

이온주입 장치는 ~10-7 Torr 정도의 고진공이지만, 가속기 내부에서 벽면과의 충돌 등으로 중화된 입자들이 존재한다. 이러한 중성 입자에 편향된 전계를 인가하여 이온 빔만 약간 휘도록 만들고, 그대로 직진한 중성 빔은 접지된 콜렉터에 모아 접지 쪽으로 빠져 사라지게 하는 장치이다.

(5) 이온 주사기(Ion beam scanning)

웨이퍼에 이온 빔을 고르게 주입하기 위해서는 이온 빔이 상하좌우로 주사되거나 웨이퍼가 움직여야 한다. 전자를 정전기적 주사 방식이라 하고, 후자를 기계적 주사 방식이라 한다. 이 둘을 합쳐 이온 빔과 웨이퍼가 함께 움직여 주사하는 시스템도 있다.

(6) 웨이퍼 챔버(Wafer chamber)

웨이퍼 챔버는 이온주입될 웨이퍼가 위치하는 곳이다. 이 곳에서 사용되는 웨이퍼 핸들링(Handling) 방식은 웨이퍼 1장씩 진행되는 매엽식 주사 방식과 여러 장의 웨이퍼를 휠 또는 디스크에 붙여 생산성을 향상시키고자 고안된 준 일괄처리 방식으로 나눌 수 있다. 챔버부에는 패러데이 컵(Faraday cup)이라는 장치가 있어, 원하는 도즈만큼 이온주입이 완료된 후 이를 감지하여 주입을 제어할 수 있다.

3. 이온주입 공정의 응용

이온주입 공정은 트랜지스터 등의 제작에 사용되며, 이온주입 장비의 에너지에 따라 접합 깊이를 조절하고 이온 빔 전류에 따라 도즈를 결정할 수 있다. CMOS 공정의 기판이 되는 웰(Well) 이온주입, 소자 격리를 위한 채널 차단(Channel stop) 이온주입, 문턱 전압 조절용 이온주입, 그리고 펀치 쓰루 방지(Punch-Through Stop), 후광(Halo), 저농도 드레인(LDD) 이온주입 등 단채널 효과 개선을 위해 다양한 형태로 행해진다. 이 외에도 소스 및 드레인 형성을 위한 저에너지, 고농도의 \text{n}^+ 및 \text{p}^+ 소스 및 드레인 이온주입 등에 사용된다. 이온주입은 에너지 측면에서, 통상 2\text{keV} 이하를 초 저에너지(Ultra-Low energy), 200\text{keV} 이상을 고에너지(High energy) 이온주입이라 하고, 도즈 측면에서는 10^{15}/\text{cm}^2 이상을 고전류(High current) 이온주입, 그 이하를 중전류(Medium current) 이온주입이라 한다.

4. 이온주입 공정의 문제점과 대책

(1) 채널링(Channeling)

[그림 3-50]의 단결정 실리콘 웨이퍼와 같이 규칙적인 원자 배열일 경우, 주입되는 이온이 원자 간 공간을 따라 예상한 깊이보다 더 깊이 들어가는 채널링(Channeling) 현상이 일어난다. 이는 웨이퍼의 결정 방향, 이온의 주입 입사 각도, 에너지 등에 영향을 받으며, 원하는 농도 프로파일(Dose profile)을 얻는 것을 방해한다. 이 문제에 대한 해결책에는 2가지 정도가 있다. 가장 간편한 방법은 [그림 3-51(a)]와 같이 웨이퍼의 방향을 약간 틀어(Twist) 이온주입 입사 각도에 변화를 줌으로써, 원자간 빈 공간을 최대한 줄이는 것이다. 일반적으로 웨이퍼를 Z축 방향으로 7° 기울이고(Tilt), XY 방향으로는 20° 정도 돌려(Twist) 이온을 주입한다. 두 번째는 [그림 3-51(b)]와 같이 이온주입 전에 희생 산화막을 얇게 성장시켜 입사되는 이온의 방향을 무작위(Random)하게 만들거나 [그림 3-51(c)]와 같이 실제 도펀트 이온주입 전에 Si 또는 Ge 등을 미리 이온주입하여, 실리콘 표면을 비정질화시키는 선 비정질화(Pre-Amorphizing Implant, PAI) 방법이다.

(2) 이온주입에 의한 실리콘 단결정의 손상(Damage)

이온을 고에너지로 가속시켜 웨이퍼에 강제로 주입하면 실리콘 결정에 손상을 입혀 결정성이 상실되고 결정 결함이 발생된다. 이와 같은 손상을 회복시키지 않으면 누설 전류의 증가, 소자 항복 전압의 감소 등의 문제를 일으켜 소자의 정상적인 동작을 어렵게 한다. 이러한 문제는 적절한 조건의 열처리를 통해 해결할 수 있는데, 이는 결정 결함 제거의 목적도 있지만, 실리콘 원자를 도펀트로 치환하여 전기적으로 활성화되도록 하는 목적으로도 행해진다. 주로 고온에서 짧은 시간(1,000^\circ\text{C} 이상, 수 \mu\text{sec} \sim \text{sec}) 동안 진행하는 급속 열처리(Rapid Thermal Annealing, RTA)를 사용한다.

[그림 3-52(a)] 및 [그림 3-52(b)]에는 열처리 전후의 원자 배열을 도시하였다. 결정성을 회복하는 원리는 고체 상태 에피택시(Solid Phase Epitaxy, SPE) 현상에 의한 것으로, 이온주입에 의해 손상을 입지 않은 단결정 실리콘을 종자층(Seed)으로 하여 비정질화되어 있는 손상층의 결정성을 회복시켜 주는 원리이다. 대부분의 도펀트는 성장하는 격자에 통합되어 실리콘 원자를 치환하게 된다.