14. ion implant 공정(1) (정의, parameter, annealing)

(1) ion implant 공정이란?

<WHAT>

 : 반도체가 전기적 성질을 가질 수 있도록 carrier를 지닌 원자나 분자를 원하는 부위에 주입(doping)하는 공정.

 

<WHY>

 : 트랜지스터 트렌드 변화 → ion implant 공정 적용이 필수가 됨.

 

① BJT → MOSFET.

MOSFET	BJT
junction 깊이 얕음.	junction 깊이 깊음.
소자 size 측면 anisotropic doping 반드시 필요.	-
doping이 필요한 layer 수가 점점 증가.	doping layer 수가 적음.

 

② scaling down.

• 소자 크기와 동작 전압이 갈수록 scale down → junction depth도 함께 scale down해야 함.
  → shallow junction 필요.
• total parasitic resistance는 active area channel resistance(=Rcontact+Rsource+Rext) 보다 훨씬 낮아야 함.
  → heavy doping 필요. 
• diffusion공정으로는 shallow junction과 heavy doping을 동시에 얻을 수 없음.
  → ion implant 공정 사용.

 

 

* diffusion 공정

 : 확산에 의한 방법

1. doping 필요한 영역을 photo 공정으로 open시킨 wafer를 chamber내에서 세워 넣음.
2. 고온에서 오랜 시간 가열.
3. 불순물이 Si 격자 사이사이로 확산, 침투.

	ion implant	diffusion
advantage	▶low temp process (PR mask). ▶precise dose control (1011~1016 /cm2). ▶accurate depth control and modeling. ▶independent control of dopant concentration and junction depth. ▶less lateral distribution    → good for smaller feature size.	▶no damage created by doping. ▶batch fabrication. ▶possible deep junction formation.
disadvantage	▶implant damage enhances diffusion (TED). ▶dislocations caused by damage may cause junction leakage. ▶implant channeling may affect profile. ▶relative shallow max junction depth (~1μm) ▶low throughput	▶high temp process (hard mask). ▶usually limited to solid solubility. ▶low surface concentration hard to achieve without a long drive-in. ▶low dose predeps very difficult. ▶no independent control of dopant concentration and junction depth.

diffusion과 ion implant의 doping profile (출처:  https://slidesplayer.org/slide/12977053/)

 

 

 (2) ion implant parameter

1) dopant

• N형/P형 → 5족/3족 불순물.
• doping 깊이 → dopant의 질량에 따라 결정.
  (깊으면 질량이 작은 dopant. 얕으면 질량이 큰 dopant.)
  
  

dopant 질량에 따른 doping 깊이. (출처: https://inst.eecs.berkeley.edu//~ee143/fa16/lectures/Lecture07-Ion%20Implantation.pdf)

 

2) dose (주입량)

• doping 농도 결정.
• source/drain → 고농도.
• LDD, 채널 → 저농도.

 

3) energy (dopant를 가속하는 힘)

• doping 깊이와 내부 농도 profile 결정.
• energy↑ → 더 깊은 doping.

 

4) tilt (implant 하는 각도와 연관)

• doping 깊이와 위치 결정.
• 특정 위치 하부에 implant하는 경우 사용 (ex. HALO 공정)
  → 각도 매우 크게 틀어서 implant.

 

 

(3) implant후 anneal 공정

<WHAT>

 : damage를 받은 Si 격자 구조를 정상 위치로 돌려놓기 위해 열처리 하는 것.

 

<WHY>

① damage를 치료.

 : ion implant 공정 = ion을 가속하여 높은 운동에너지로 Si에 주입.

  → Si 결정 격자에 damage.

  → damage를 받은 원자들은 전기적으로 불활성 상태가 됨.

  → Si의 전기적 특성 나빠짐.

  ∴ 열처리를 통해 Si 격자 구조를 정상 위치로 돌려 놓는다.

출처: https://www.slideshare.net/kritickasharma/ic-technology-diffusion-and-ion-implantation

 

② 이온을 활성화.

    → doping된 불순물이 캐리어를 생성하는 역할을 하게 해준다.

 

③ doping 산포를 고르게 해줌.

 ∵ 열처리 과정에서 doping된 불순물이 Si 격자에 자리를 잡게 됨.

 

 

<HOW>

1) furnace anneal

2) RTP (rapid thermal process)

출처: https://news.skhynix.co.kr/1833

	furnace	RTP
wafer 수	200~300매 (batch type)	1매 (single-wafer type)
wall type	hot wall	cold wall
공정 시간	long time (30min at 850~1000℃)	short time (30sec at 1100~1150℃)
cycle time	long (4~5시간)	short (1분 이내)
온도변화율 (dT/dt)	small (10℃/min)	large (100~300℃/sec)
issues	thermal budget particle atmosphere	uniformity repeatability throughput wafer stress absolute temp

 

*TED (transient enhanced diffusion)

• implant 공정에서 발생한 intersititial damage로 인해 dopant diffusion을 의도한 것보다 더 확산되는 현상.
• TED으로 인해 annealing 과정에서 원치 않는 dopant diffusion이나 cluster formation 발생.
• 최근에는 shallow profile을 갖기 때문에 junction depth를 결정하는 데에 큰 영향을 미친다.
• 낮은 온도에서 더 많이 확산되는 이례적인 diffusion 현상이다.
   ∵ 저온에서 TED 현상이 더 오래 지속됨.
      → TED를 억제하기 위해 고온에서 빠르게 끝나는 RTP 적용.

 

 

 

 

<참고문헌>

이창훈, 반도체 소소제공, 더인 출판사, 2019, pp.178-186.

최리노 교수, '반도체공정 ion implantation' 강의 ppt, 인하대학교.

진종문, [반도체특강]웨이퍼를 담금질하다: 파괴를 복원하는 어닐링, SK하이닉스 뉴스룸, 2018.