15. ion implant 공정(2) (문제점, 검사법, 장비)

(1) 발생 가능한 문제점

1) channeling effect

<WHAT>

이온 주입 입사각에 따라 이온의 도달 깊이가 달라지면서 산포가 바뀌는 현상.

Channeling contrast illustration of the channeling effect during the: (a) "closed channel" condition. (b) "open channel" condition and in (c) dislocations can locally change the channeling condition between " open channel " and "closed channel". (출처: https://www.researchgate.net/figure/Channeling-contrast-illustration-of-the-channeling-effect-during-the-a-closed_fig10_313477982)

 

<WHY>

이온 주입 각도가 Si 격자 방향과 같을 때 다수의 이온들이 격자와 충돌없이 내부 깊숙이 도달.

→ 'long tail'처럼 doping 산포가 길게 늘어짐.

→ 깊이 분포의 예측이 어려워진다.

각도에 따른 doping 산포. (출처: https://blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=klp0712&logNo=221089611867&redirect=Dlog&widgetTypeCall=true&directAccess=false)

 

<해결법>

a) Tilting wafer off the channeling plane. b) Thin sacrificial oxide for randomizing the direction of incident ions. c) Pre-amorphization implant to randomize the lattice atoms, thus destroy the crystal channels. (출처: https://www.intechopen.com/books/crystalline-silicon-properties-and-uses/high-mass-molecular-ion-implantation)

 

 ① axial tilt

  : 각도를 기울여서 이온 주입 (wafer의 표면 방향을 이온 beam 방향으로부터 기울임).
  → 격자와의 충돌을 만들어 줌.
  but, shadowing effect 발생 가능.

각도를 기울였을 때 ion의 주입 경로. (https://blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=tjdowl123&logNo=221194145524&from=search&redirect=Log&widgetTypeCall=true&directAccess=false)

 

② planar rotation

 : wafer 평판의 flat zone을 이온 beam 스캔 방향으로부터 기울임.

 

③ sacrificial oxide

 : 표면에 산화막을 형성한 후 이온 주입.
  → 입사하는 이온들이 비정질의 산화막에 먼저 충돌하여 입사 방향을 randomizing.

 

④pre-amorphization

 : 이온 주입 전 Si, Ge, F or Ar 등을 높은 dose로 주입.

  → wafer 상층의 격자를 비정질로 만들어 channeling이 발생할 경로를 없애줌.

 

2) shadowing effect

<WHAT>

이온 주입 mask의 측벽 아래에 그림자 영역처럼 이온 주입되지 않는 영역이 발생.

Shadowing effect during ion implantation. (출처: https://www.axcelis.com/wp-content/uploads/2019/03/Photomodulated-Reflectance-Measurement-Technique-for-Implantation-Tilt-Angle-Monitoring.pdf)

 

<해결법>

 : 1차 이온 주입 후 wafer를 180º 회전하여 2차 이온 주입.

   dose량을 1차와 2차에 반반씩 나누어 진행.

 

 

(2) 검사법 : sheet resistance (면저항)

<WHAT>

 :  이온 주입 후 해당 영역의 저항을 측정하여 junction 깊이와 산포가 적절한지 확인하는 방법.

 

<WHY>

 ① visual inspection 방식으로 junction 깊이와 산포를 확인하는 것이 불가능함.

 ② 동일한 dose라도 doping 깊이가 목표보다 깊고 산포가 큰 경우 면저항 값이 증가하고,

    반대의 경우는 면저항 값이 낮아짐.

 

<HOW>

 : van der pauw 측정 방법 (4개의 단자를 이용).

  ∵ 면적의 넓이에 영향을 받지 않고 저항 측정이 가능하기 때문.

Set-up for van der Pauw measurement. (출처: https://www.researchgate.net/figure/Set-up-for-van-der-Pauw-measurement-The-sample-is-square-with-triangular-contacts-at-the_fig7_310838894)

 

(3) 장비

ion implant 장비의 구조

1) ion source part

① plamsa 만드는 원리로 source gas에서 이온 만듦.
 * ion source (이온 공급기)
  - source gas: Si → BF3, AsH3, PH3 / GaAs → SiH4 + H2.
  - arc chamber 형태.
    (필라멘트(cathode)와 금속판(anode)로 구성.
     필라멘트에서 방출된 전자는 금속판으로 가속되며, 기체와 충돌하여 plasma를 생성)

 

② pump에서 pre-가속기로 이온들을 움직일 수 있도록 가속.

③ analyzing magnet의 자기장을 통해 회전 원심력(∵질량분리)으로 원하는 불순물의 이온만 걸러냄.

 

2) beam line part

① accelerator로 이온을 원하는 속도로 가속.

② focus lens 조정으로 이온들을 가운데로 집중 (beam형태로 만들어줌).

③ 중성빔 분해기로 원치 않는 중성 입자 걸러줌.

 

3) end station

① ion beam 전류를 모니터링하여 주입하는 이온의 양 확인 (faraday cup에 전류계를 연결하여 직접 측정).

 

 

 

 

 

<참고문헌>

이창훈, 반도체 소소제공, 더인 출판사, 2019, pp.180-184.

반도체 8대공정, 한국반도체기술교육원, pp.169-177.