| Implantation | Diffusion | |
| 장점 | 불순물의 농도를 자유롭게 조절 고용도 이상 주입 가능 다양한 Profile을 만들 수 있다 부산물이 생성되지 않음 낮은 온도에서 진행하기 때문에 추가적인 diffusion을 방지할 수 있다 |
가격이 저렴하다 대량으로 공정 가능하다 |
| 단점 | 시간이 오래 걸리는 고가의 설비 웨이퍼가 손상된다 챔버가 초 고진공이어야 한다 |
불순물의 농도가 표면에서 제일 높다 주입 불순물의 고용도 한계 존재 Profile이 열처리를 통해서 erf나 Gaussian에 국한된다. 표면에 SiO2 부산물이 생성된다 열과 소스 제어가 어렵다. |
이온 주입기는 위와 같이 5가지의 과정을 거친다.
① Ion Source:플라스마를 이용하여 다양한 이온을 생성한다.
② Mass spectrometer:자기장을 통해서 특정 질량만을 갖는 이온들을 선별한다.
③ High voltage Accelator: 웨이퍼 안쪽으로 입사시킬 수 있도록 에너지를 더해 가속시켜준다.
④ Scannig system: 원하는 위치로 이온을 주사시킬 수 있도록 자기장을 이용한다.
⑤ Target chamber: 실제로 웨이퍼가 놓이는 곳으로 뒷단에는 적분기가 존재한다.
불순물이 들어온 것이지만 charged 된 이온들이기 때문에 전자가 흐르는 것이다. 즉 전류가 흐르는 것이므로
적분하여 불순 물량을 모니터링할 수 있다. (전류를 적분하여 주입되는 charge량을 카운트)
Diffusion 공정에서도 사용된 Mass spectrometer은 구심력을 이용하는 것이다.
원하는 이온의 고유 질량과 계측기의 반지름을 입력하면 자기장의 값을 알 수 있다.
Implanted Dose는 전류를 적분하여 구할 수 있다.
ion implantation 공정의 큰 장점은 화학식을 몰라도 이온화가 가능한 대부분의 불순물을 정밀하게 주입 가능하다는 것이다. 총 처럼 박힌다고 하여 'Shot'이라는 표현을 사용한다. Does량 컨트롤이 용이하고 낮은 온도에서 공정을 진행할 수 있다는 것도 장점이다.
이온이 주입되면 크리스털과 부딪히면서 운동에너지를 잃어버리고 멈춘 위치에서 불순물이 분포하게 된다.
각각의 운동 에너지는 산포를 갖는데 자연 상태의 산포는 Gaussian Profile을 갖는다.
깊이가 깊을수록 운동에너지가 크다는 뜻이다.
특정 위치에서의 농도 N(x)는 가우시안 분포를 갖는데
Projected Range (Rp:가속된 전자가 들어가는 평균 거리)
Straggle(ΔRp:평균 거리에서 나타나는 산포)
특정 위치 x
Np 불순물 농도의 peak값
위의 세 가지 값을 통해서 N(x)를 계산할 수 있다.
가속되는 운동에너지와 Projeced range는 1대 1 관계를 갖는다.
가벼운 원소 들일 수록 더 깊게 들어가는 것을 확인할 수 있다.
가속 에너지가 클수록 Straggle도 크다.
(a) Phosphorus를 100 keV로 주입하였을 때 range와 straggle을 구할 수 있다.
(b) peak concentration Np가 주어졌을 때 does량을 구하라
(c) 2uA beam current가 주어졌을 때 200mm의 지름을 갖는 웨이퍼를 implant 시킨다고 하였을 때
어느 정도 시간이 필요한다? (웨이퍼는 지름으로 정의하며 does량을 측정할 때 전류를 측정한다)
위와 같이 range, straggle을 구하고 does량을 계산할 수 있다.
마스크를 이용하면 웨이퍼의 선택된 영역에만 불순물 주입 가능하다
가장자리 근처에서 분포가 감소하고 실제로 창 가장자리 아래로 확장됩니다.
방향에 따라서 straggle이 다르며 분포도 다르다.
깊이 방향으로는 가우시안 분포를 갖지만
lateral 방향으로는 erf을 갖는다.
마스크에 불순물이 주입되는데 가우시안 분포를 갖는다. N(X0)에서 즉, SiO2와 실리콘이 만나는 경계면에서 베이스 도핑의 1/10 수준이면 마스크로 적합하다고 할 수 있다.
Oxide thickness는 Rp+mΔRp값 이상이어야 한다.
Np/NB 값에 따라서 m값이 결정된다.
마스크 두께를 결정할 때 이용하는 것이다.
Barrier material은 SiO2, SiN4, PR, Al 등이 존재하는데
SiN4는 단단해서 SIO2의 85퍼센트 두께만을 가져도 동일한 성능을 낸다.
PR은 무르기 때문에 1.8배의 두께가 필요하며
Metal은 단단하고 불순물이 쌓일수록 전기적 반발력을 띄기 때문에 훌륭한 마스크가 될 수 있다.
gate oxide의 두께가 50nm, does량이 1x10^13/cm^2일 때
Acceleration energy는 Projected energy를 알면 구할 수 있다.
총 Does량은 유횻값의 두배이므로 Np에서의 Q는 2x10^13이 되어야 하며
Np값을 계산할 수 있다.
베이스 도핑이 주어졌을 때 최소 SiO2의 두께를 계산할 수 있다.
마스크를 PR로 대체한다고 하였을 때 1.8배가 필요하다.
Ion implantation은 shallow pn junction에 이용된다.
주입된 프로파일은 가우시안 분포를 따른다.
junction depth는 background 도핑과 같은 위치가 된다.
베이스 도핑보다 높은 위치에서 다른 도핑이 되는 것이므로
그 경계면에서 pn junction이 이뤄지는 것이다.
Diffusion 프로파일은 implantation을 도핑량과 가속을 조절하면서 여러 번 반복하면 원하는 도핑 모양을 생성할 수 있다.
junction depth를 구하라
projection range Rp를 이용하여 Acceleration energy를 구한다.
Acceleration energy을 이용하여 straggle을 구하고 (델타 Rp)
xj(junction depth)를 계산할 수 있는데 이때 base 도핑 농도와 같은 위치가 된다.
Side effect에 대해서 알아본다
channeling: 실리콘에 이온이 주입하기에 빽뺴간 부분이 있고 상대적으로 여유로운 부분에 일종의 chaneel(통로)가 생긴다.
살짝 tilting 해주면 더 깊게 들어가는 Profile을 형성한다.
ion implantation을 시키면 결정 구조를 잃어버리는데 방향성이 없고 무작위 amorphous(비정질 상태)가 될 수 있다.
온도가 높을수록 더 높은 불순물이 들어오더라도 견뎌낸다.
크기가 크면 클수록 더 작은 양을 주입해서 amorphous상태가 된다.
로그 스케일로 관찰하였을 때 tail 부분이 가우시안 분포와 조금 달라질 수 있다.
같은 불순물이더라도 무거운 이온은 좀 더 forward scattering 하게 되고 가벼운 이온은 안쪽으로 형성될 수 있다.
손상된 격자구조를 회복시켜주기 위해서 annealing 과정이 필수적이다.
800~1000도 사이의 고온에서 짧게 열처리를 해주면 손상된 격자 구조가 회복된다.
실리콘 원자는 격자 사이트로 다시 이동할 수 있고 불순물 원자는 격자의 대체 사이트로 들어갈 수 있다.
열처리 과정이기 때문에 diffusion이 존재한다.
Ion implantation은 Mos의 소스 밑에 마이크로미터 이하의 얇은 high 도핑이 필요할 때 사용한다.
다량의 dopant를 주입하면 격자 손상의 가능성이 있기 때문에 낮은 에너지에서 implantation을 통해서
shallow 하게 주입하고 이후 열처리 과정(annealing)을 거쳐야 합니다.
implantation 이후에 annealing 과정을 통해서 limited source diffusion과 같이 재분포 하게 된다.
총 does량은 같다.
열전달 방법에는 전도, 대류, 복사 방법이 있는데 RTA(Rapid thermal annealing)은 짧은 시간 동안 annealing 하는 과정이다. 램프를 끄면 열을 전달하지 않는다.
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