diffusion공정은 원하는 불순물 재료를 주입하는 공정이다. 일반적으로 얇지만 높게 도핑된 레이어를 형성하는 것부터 시작한다.
확산공정은 3가지 과정이 랜덤하게 일어난다.
Substitutional impurity:빈공간을 치환해서 들어가는 과정
Interstitial Impurity:빈공간을 타고 들어가는 과정
Interstitialcy mechanism: 위의 두 과정의 중간 정도로 빈 공간을 타고 들어가다가 기존 실리콘의 자리를 뺏는다.
Fick's 1st Law:확산은 농도차이에 의해 발생한다.
Fick's 2nd Law:특정 지역에서 불순물 농도의 시간에 따른 변화율은
flux 차이에 의해 발생한다.
diffusion 공정은 제한조건이 두가지로 나뉜다.
가스가 충분할 때는 온도가 확산 공정의 속도를 제어하게 된다.
이때 complementary error function (erfc) 형태로 profile이 발생한다.
한정된 불순물이 주입되었을 때는 총 dose량이 일정하며
가우시안 profile을 갖는다.
위의 두가지 과정을 혼합해서 진행하는데 처음 high 도핑으로 얇게 증착하고 열처리로 drive in 시킨다.
Diffusion coefficient는 온도, 불순물의 재료로 달라진다.
가벼운 물질일 수록 diffusion coefficent가 크며 아레니우스 관계식을 갖는다.
아레니우스 관계식을 통하여 Diffusion coefficient를 구할 수 있다.
웨이퍼는 디퓨전 공정외에도 산화공정, CVD 등등 열이 개입되는 공정이 많기 때문에 추가적인 디퓨전을 겪게 된다.
이러한 모든 스탭에서의 값을 토털 값으로 표현하게 되는데 전부 합쳐주면 된다.
Solid-solubility limits은 '고용도 한계'를 의미한다.
주어진 온도에서 실리콘에 주입될 수 있는 불순물의 한계가 존재한다는 말이다.
BJT의 Emitter 및 하위 컬렉터 확산과 MOS의 소스 및 드레인에는 고농도가 필요하다.
고농도 한계를 극복하기 위해서는 두 가지 스태프로 디퓨전 공정을 진행한다.
첫 번째가 implantation 두 번째가 drive in
solid-solubility limit은 불순물 상한으로서 표면 불순물 농도 N0값이 고용도 한계를 결정한다.
확산의 목표는 p 형 재료를 n 형 재료로 또는 그 반대로 변환하여 pn 접합을 형성하는 것입니다.
그렇다면 반도체 내에서 어떤 부분이 junction인지 알아야 하는데
디퓨전은 Vertical diffusion이 존재하고 Lateral diffusion이 존재합니다.
Vertical 도핑은 수직 방향에 대한 도핑이며 Gaussian Profile을 갖는 것이 특징입니다.
베이스 도핑은 background 도핑으로서 n형 혹은 p형 기판으로 나뉘게 하는 도핑입니다.
이는 100% 순수한 기판을 만들기 어렵기 때문에 낮은 수준으로 도핑해주는 것입니다.
우리는 가우시안 프로파일을 통해서 xj값 즉, junction depth를 구할 수 있습니다.
NB/N0값을 알면 xj값을 구할 수 있다!
도핑 농도를 측정하기 위해서 저항값을 측정하면 1:1로 매칭 되어 도핑 값을 알 수 있다.
도핑 값이 높으면 전도도가 높아서 저항이 낮아지는 현상을 이용한 것이다.
Two step diffusion을 진행할 때 초기 다량의 implantation 공정을 진행하고
drive in을 통해서 확산시킨다.
junction depth까지 프로파일을 통해서 구할 수 있었다.
확산은 실제로 3D 과정입니다. 불순물이 수직으로 확산됨에 따라 양방향으로 수평으로 확산됩니다.
Diffusion constant는 사실 도핑 농도에 관련 있다.
표면과의 거리가 멀어질수록 급격하게 감소하게 되는데
이는 도핑 농도가 낮아지면 Diffusion coefficient도 감소하게 되는 것이다.
불순물 농도가 높을수록 더 많은 diffusion을 할 수 있다.
solid-solubility limit은 고체 상태의 실리콘에 녹을 수 있는 불순물의 상한 한계값을 의미하며
Diffusion constant는 온도에 따라 변화했으며 공정 온도, 고용도 한계를 통해서 불순물의 양과 프로파일을 구할 수 있었다. 이를 바탕으로 junction depth를 구할 수 있었으며 확산 계수는 사실 도핑 농도에 비례하였고, 표면 도핑으로부터 멀어질수록 급격하게 감소하는 것을 알 수 있었다.
저항은 junction depth에 민감하다.
sheet resistance는 diffusion 채널을 만드는 저항체의 단위 저항을 정의하 것이다.
sheet 저항이 같으면 동일한 마스크를 이용할 수 있으며 일종의 표준으로서 정할 수 있는 것이다.
단위면적당 conductivity가 달라지며 위치마다 달라진다.
L=W>>t 일 E때 단위면적동 저항 Rs (sheet resistance)를 정의할 수 있다.
Rs를 알면 Geometry로 저항값을 알 수 있는데
일자로 저항이 연결될 때와 경사가 있을 때 저항값이 같지 않다.
경로에 따라서 저항값이 다르지만 이것은 주문 회사에서 알려주므로 외울 필요는 없다.
Irvin's curves는 sheet resistance와 junction depth에 따른 도핑 프로파일을 분석한 것으로
Rs를 계산할 수 있으며 결과적으로는 도핑 농도에 따른 함수가 된다.
4가지 set이 존재하는데 n-G n-E p-G p-E이다.
x축은 Rs와 xj의 곱이고 y축은 표면에서의 도핑 농도이다.
표면 도핑 농도가 늘어나면 Rs값은 줄어들고 junction depth는 늘어난다.
xj는 로그 스케일로 늘어나지만 Rs는 선형적으로 줄어들기 때문에
도핑 값이 증가하면 Rs는 줄어들게 된다.
베이스 도핑 농도는 xj에 비례하므로 Nb가 증가하면 미세하게 Rs가 증가한다.
위와 같이 4가지 set이 존재한다는 것을 알 수 있다.
베이스 도핑, 표면 도핑 농도, 프로파일 , Rs를 알면 junction depth를 구할 수 있다.
전자회로 실험 등에서는 Two point probe를 이용하여 저항을 측정했는데
반도체 공정에서는 미소 저항들을 무시할 수 없게 된다.
그래서 4 point로 전류와 저항을 측정하게 된다.
4point probe에서 저항값을 측정하고 correction factor를 곱해서 Rs를 정의할 수 있다.
junction depth와 도핑 농도에 대한 측정은 제작 공정만큼이나 중요하다.
눈으로 관찰하는 것은 한계가 있기 때문에 다양한 방법을 이용하여 측정한다.
과거에는 일부분을 갈아서 측정하였다 Grove-and-stain
이는 단차를 이용하는 방법으로서 단면적을 잘랐을 때
위에서 바라본 Film의 두께를 측정하여 p층의 두께를 알 수 있다.
geometric 하게 확대하는 방법이다.
p, n구분은 화학적 용액에 녹아나는 정도가 달라짐을 이용하여 구분할 수 있다.
현재는 SEM과 TEM 같은 전자현미경을 이용하여 관찰하며 갈아내는 방법은 현재 잘 사용하지 않는다.
다음은 불순물 농도 측정이다.
불순물 농도 측정에서는 E beam 혹은 Ion beam을 이용한다.
실리콘에 빔을 입사시키고 재료를 비산 시킨다.
비산 된 재료와 함께 Secondary beam이 반사가 되고 이를
Secondary Ion Mass Spectroscopy (SIMS:질량분석기)를 통과시킨다.
질량분석기에서는 자기장을 이용하는데
이온화된 빔을 자기장을 통해 컨트롤하는 것이다.
자기장을 통과하면 특정 각도를 갖고 휘어지게 되는데
이는 질량에 따라서 휘어지는 각도가 달라지는 것이다
Detector를 특정 위치에 두면 특정 질량의 원소들만 수집할 수 있다.
특정 시간에 어떤 원소들이 수집되는지에 따라서 불순물 프로파일을 결정할 수 있는 것이다.
(a) solid source in platinum source boat
(b) Liquid-carrier gas passing through bubbler
(c) Gaseous
소스의 상태에 따라서 반응로가 달라진다.
순수한 소스를 공급하는 것이 아니라 안정적인 상태로 공급한다.
실리콘 표면에서 수수한 소스로 화학적으로 변하여 주입되는 것이다.
Phosphorus도 마찬가지다.
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