DNI & Oxidation (1) DNI
이번에 진행할 내용은 DNI와 Oxidation에 대한 내용인데요 여기서 말하는 DNI는 DIffusrion&Ion implantantion의 약자입니다.
DNI와 Oxidation둘다 확산이라는 매커니즘을 사용하기 때문에 두 공정을 한번에 묶어서 진행하겠습니다.
먼저 Diffusion(확산)이 뭔지 대해서 정의하고 가야겠습니다.
확산이란 농도의 차이에 의한 원자의 이동을 말하는 물리적 현상입니다. 반도체에선 주로 반도체(Si) 내부로의 불순물(Dopant) 주입과 불순물의 움직임에 대해서 나타냅니다.
확산을 이용한 공정으로는 Doping 공정과 Oxidation 공정이 있고 Doping 공정안에는 확산 공정과 ion implantaion이 있습니다. 확산과 확산 공정을 좀 구별할 필요가 있겠습니다.
확산 공정은 Doping 공정 중 한종류를 의미하고 농도차에 의해 불순물을 분포시키는 공정입니다.
산화 공정이란 SiO2 박막을 성장시키는 방법중 한 종류인데요, Si의 일부를 치환하여 SiO2로 성장하는 공정입니다.
확산은 아래의 식처럼 화산 방정식을 이용해서 계산이 가능한데요 Initial condition, Boundary condition에 따라서 미분방정식의 해를 풀어서 구할 수 있습니다. 자세한건 여기서 다루진 않겠지만 우리가 한가지 알아둬야 하는건 확산계수(D)입니다,
확산계수(D)
단위 면적당 어떠한 물질의 확산 속도를 의미하는데요 확산 Mechanism 및 온도, 확산 물질, sub-물질에 따라서 계수가 달라질 수 있습니다. 즉 확산계수가 클수록 확산 속도가 빠릅니다.
확산계수는 확산 모델 및 온도에 따라 계수가 달라진다고 했지요
먼저 확산 모델에는 뭐가 있을까요?
1) 공공 메커니즘 : 격자 중의 하나를 아예 치환해버리는 경우
2) 침입 메커니즘 : 격자들 사이에 껴 있는 경우
3) 그 외 Interstitialcy, Crowdian mechanism
이런 확산 모델에 따른 활성화 에너지 (Ea)는 달라집니다.
-공공 메커니즘: Si 에서 3~5ev로 상대적 높은 에너지를 가지고 있고 느린 확산을 합니다(B,P,As)
-칩입 메커니즘: Si에서 0.5~2ev로 낮은 에너지를 가지고 빠른 확산을 합니다(Au, Cu)
Doping 공정
이제 확산이 무엇인지에 대해 어느정도 감을 익혔으니 Dopping공정에 대해서 한번 알아봅시다.
Doping이란 Si 반도체에 원하는 불순물을 원하는 Profile을 갖도록 만들어주는 과정이라고 했었죠. 늘상 사용하는 p-n junction이나 비저항을 조절하거나(resistor),Ohmic contact(MS접합)을 형성 하거나 Threshold voltage(MOSFET)를 조절하는 등에서 사용합니다.
확산 공정
Doping 공정안에는 확산 공정이란게 있다고 했죠?
-확산 공정은 확산 Source를 분압으로 만들어 고온으로 wafer에 흘려줘서 doping을 진행하는 공정입니다.
즉 wafer에 흘려주는 무언가가 확산을 해서 doping을 한다는 것이죠.
-Source들 중에서 기체원은 알아서 날라가겠지만 액체원이나 고체원은 이동을 할 수 없어서 bubbling을 해준다거나 날려보내준는데 그때 반응성이 적은 Ar,N2 carrier gas를 사용해줍니다.
액체원의 경우 그냥 웨이퍼위에 뿌려놓고 확산을 시키기도 하지만 일반적으론 Furnace설비 안에 액체원이나 고체원을 넣고 캐리어 가스를 이용해 chamber안으로 분압상태로 넣어주는 방법을 씁니다.
-기체원을 가장 많이 사용하지만 PH3, AsH3같은경우 유독 가스로 인체에 해로울 수 있습니다.
-액체원은 Uniformity가 좋고 고순도의 물질을 사용해야합니다. 주로 B,Cl이 달려있듯이 반응성이 큰 halogen 원소들을 사용하기에 웨이퍼 표면의 중금속을 제거하는 효과도 있습니다.
확산 공정의 Two step process
확산 공정은 주로 two step process를 사용합니다.
1) Predeposition
-일정량의 도핑 원소를 계속 증착시켜준는 것인데 확산 source를 계속 흐르게 한 채로 열을 가해서 불순물의 침투를 가합니다.
-900~1100도에서 30분에서 60분동안 수행합니다. 아래 그래프를 보시면 시간이 길 수록 더 깊이 침투하는 것을 볼 수 있습니다.
-표면 농도는 온도에 의존하기에 온도만 일정하다면 표면 농도는 일정하게 유지 가능 합니다.
2) Drive-in
-확산 Source를 닫은채로 진행합니다. 즉 추가적으로 들어오는 도핑원소는 없고 이미 들어와 있는 일정량의 도핑 원소를 이용해 공정을 합니다.
-이때 O2나 N2같은 gas들을 같이 넣어줘서 윗면을 산화나 질화시켜서 막아버립니다. 이 상태에서 열을 주면 안에 들어 있는 도핑 원소들이 옆과 아래로 퍼지게 됩니다.
-1000도~1250도에서 10시간 정도까지 아주 긴 시간동안 진행합니다. 아래 그래프를 보시면 시간이 길수록 flat한 profile을 가지는 것을 볼 수 있습니다.
이런 Two step diffusion의 이점들은 뭘까요
-처음 doping양을 정해놓을 수 있어서 전체 doping한 양의 조절이 용이합니다.
-P이나 B을 이용해서 도핑을 할경우 표면에 PSG나 B2O3같은 boron skin이 남을 수 있는데 drive-in과정에서 넣어준 O2가 SI와 반등하면서 PSG나 boron skin아래에 SiO2를 생성합니다. 그러면 나중에 Wet etching으로 쉽게 제거가 가능해집니다.
-확산 Profile을 조절하기 쉽습니다.
아래 식은 왜 위에 있는 Predepostion에서와 Drive-in에서의 확산 그래프들이 저렇게 나오는지에 대해서 확산 방정식을 풀어놓은 겁니다.
우리가 확산 공정에서 시간이 지나면 지날 수록 Si안쪽으로 더 많이 doping이 되지만 표면 농도는 온도에 따라서만 조절된다고 했습니다. 왜그럴까요?
어떠한 불순물들이 고체안에 녹을때 최대로 녹을 수 있는 고체 용해도(Solid solubility)가 정해져 있는데 이것은 온도에 따라서 변합니다.
일반적으론 온도가 증가하면 증가하다가 Si에서라고 하면 Si의 녹는점 부근에서 고체 용해도가 감소합니다.
이러한 것 때문에 온도가 정해지면 고체 용해도가 정해져서 표면농도는 일정하게 유지가 되는 겁니다.
지금까지는 Si기판에 대해서만 다뤘는데 도핑을 Si안에만 하는건 아니겠잖아요? Si뿐만 아니라 다른 고체 물질들(SiO2나 SiN)에도 이러한 확산 방정식이 통합니다.
그런데 불순물들의 확산 계수를 찾아보니 Si에서의 확산계수가 SiO2에서의 확산계수가 컸습니다.
이것을 응용해봅시다.
일단 우리가 어떠한 영역을 도핑을 할때 그 영역을 제외한 부분은 Masking 해줄겁니다.
그런데 Masking한 물질 내에서 불순물들의 확산계수가 크다면 막상 도핑하고자 한부분에 도핑을 다하기전에 masking을 뚫고 원치 않은 곳까지 도핑이 돼버릴겁니다.
즉 Masking하는 물질은 도핑하고자하는 물질보다 확산계수가 낮은 물질을 사용해야하는데 주로 Si를 도핑할때 SiN이나 SiO2를 사용합니다.
확산 공정은 표면에서 도핑 농도가 가장 높고 안으로 들어갈 수록 도핑 농도가 낮아집니다.
이러한 특성으로 확산공정에는 몇가지 장점들이 있습니다.
이러한 확산 공정의 장점은 도핑 과정 중 발생하는 damage가 전혀 없고 확산 방정식을 통해 깊이 측정이 용이합니다. 또한 batch process를 사용할 수 있습니다.
그러나 확산 공정의 단점으로는 Doping profile이 고체 용해도에 의해 제한을 받습니다.
즉 표면 온도를 내맘대로 조절하기가 어렵다는 겁니다. 그래서 표면 농도를 낮추기 위해서는 긴 Drive-in시간이 필요한데 너무 깁니다. 그러다 보니 내가 원하지 않는 곳까지 leteral한 방향으로까지 확산이 되버립니다.
일반적으론 vertical:leteral 비율이 1:0.8정도로 확산이 되는데 시간이 너무 길어서 leteral한 방향으로 너무 확산이 되버리면 Chip, IC(intergarted circuit) 면적에서 손해를 볼 수 있습니다.
Ion inplantation
이러한 단점들을 보완하기 위해서 나온 기법이 ion implantaion인데요.이방식은 기판에 필요한 영역을 제외하고 masking을 한다음 필요한 영역에 직접 강한 에너지로 ion을 기판에 주입해서 도핑을 하는 방식입니다.
먼저 ion source로 ion들을 생성해 냅니다.
이때 생성한 이온들은 내가 원하는 이온들만 있지는 않을거지만 자기장을 통해서 가속이 될때 무게가 다르기에 휘는 정도가 달라져서 내가 원하지 않는 이온들은 빠져나가게 되고 내가 원하는 이온들만 다시 빔사이를 통과해서 이때부턴 전기장에 의해서 가속되어서 wafer에 쏴주는겁니다.
이때 implantation energy를 조절하여 이온의 침투 깊이를 조절합니다.
ion impantation 공정 특성을 알아봅시다.
-ion 분포가 Gaussian distribution(정규 분포)을 이룹니다. 이 말은 ion과 원자의 충돌이 random process를 가진다는 겁니다.
-확산 공정에선 표면이 가장 높은 도핑 농도를 가졌지만 ion implantation을 이용하면 표면으로부터 어느정도 들어가야(Projected range) 최고 농도가 나옵니다.
ion implantation은 여러 좋은 장점들을 가집니다.
-leteral diffusion이 감소합니다.
-Dose와 energy를 조절해서 정밀한 도핑 농도와 Profile 조절이 가능합니다.
-상대적으로 저온 공정입니다.
그런데도 해결해야할 여러 단점들이 남아있습니다.
-Target material에 damage가 발생합니다.
-타겟 물질들의 격자가 일정하게 분포되어있는경우 쏘아준 이온이 내가 원하는 깊이보다 더 멀리 가버리는 Channeling effect이 발생합니다.
-Single process를 이용하기에 낮은 Througput을 가집니다.
-상대적으로 위험한 공정입니다.
위에 말씀드린 두가지 단점은 반드시 해결해야만 하는 문제들인데요
먼저 격자 구조가 파괴된 경우는 어떻게 해결 할까요?
1) Furnace Annealing
전통적인 방법인데요 800~1000도에서 30분동안 열처리를 해주는 방법입니다. 그런데 이방법은 시간이 너무 길어서 불순물들이 과도하게 확산할 수 있는 부작용이 있습니다.
2) Rapid Thermal Annealing (RTA)
Single wafer process지만 급속 승온후(~150도) 짧은 고온 시간을 유지한후(5~30s) 쿨링을 해주는 겁니다.
공정 시간은 별로 안걸리지만 쿨링하는데 시간이 꽤걸립니다.
두번쨰는 Channeling effect입니다.
1) Wafer Tilting
-입사각을 조절하여서 비스듬하게 쏴서 ion과 격자의 충돌 확률을 증가시키는 기법입니다.
-일반적으로 7' 정도 tilting해줍니다.
-그렇더라도 여러 회의 충돌을 거치면서 indirect channeling이 발생할 수도 있습니다.
-그래서 Tilting과 Twsit를 같이 하기도 합니다.
이러한 방법 말고도 표면에 얇은 screen oxide를 형성하여 scattering을 증가시키거나 Si위를 비정질 Si으로 만들어 주는 Pre-amorphization방법도 있고, B대신 BF2같은 무거운 이온을 이용하는 방법도 있습니다.
아래표는 확산 공정과 ion implantaion을 비교한 표입니다.
