반도체 공정 : Ion implantation(이온주입공정)_1탄. Diffusion(확산공정)과의 비교, 중요 파라미터들

안녕하세요!

오늘은 이온주입 공정에 대해 배워보겠습니다.

이번에는 이온주입공정이 어떤 공정인지, 어떤 요소들을 고려해야 할지 등을 알아보겠습니다.

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1. 이온주입공정(What is Ion Implantation?)

이온주입공정은 말 그대로 Silicon에 이온을 주입하는 공정입니다. 

 

그러면 이 공정이 왜 필요할까요?

1. Carrier의 농도를 바꿔서 비저항을 바꾼다.

2. Conductivity type을 바꾼다.(n-type, p-type)

 

2. 이온주입공정과 확산공정의 차이(Ion Implantaion vs Diffusion)

출처 : Crystalline Silicon - Properties and Uses Edited by Sukumar Basu

 

위 그림에서 a)는 확산공정(Diffusion)을 나타내고 b)는 이온주입공정(Ion Implantation)을 나타냅니다.

두 공정 다 dopant를 주입한다는 점에서 목적이 같습니다!

(확산에 대해 궁금하시다면 이 포스팅을 참고해 주세요!)

https://univ-life-record.tistory.com/entry/반도체-단위-공정-확산공정-Diffusion-엄청-쉽게-이해하기-ficks-law

반도체 단위 공정 - 확산공정, Diffusion 엄청 쉽게 이해하기! (fick's law)

출처 : kriticka sharma

 

그림에서도 볼 수 있듯이 Diffusion은 Pre-deposition 후에 열을 가해 Drive-in step을 거칩니다. 

이를 통해 원하는 물질이 Si 내로 들어가게 됩니다. 

 

Ion Implantation은 이온을 쏴줍니다. 이게 끝입니다!!

뒤에 열처리(Annealing)를 해주긴 하지만, 이는 ion이 Si 표면을 때리고 들어오기 때문에 Si 내에 생기는 결함을

원래의 Si으로 복구해 주기 위함입니다.

 

즉, Diffusion은 Dopant를 Chamber에 넣고 열처리까지 해주는 것을 의미하고

Ion implantation은 열처리는 포함하지 않고 그냥 이온만 넣어주는 것을 의미합니다.

 

3. Ion Implantaion의 장점

당연히 dopant를 주입한다는 점에서 diffusion과 비교되는 장점입니다.

 

1. 원하는 양을 넣을 수 있다.

diffusion은 solid solubility라고 해서 들어갈 수 있는 dopant양에 한계가 존재합니다.

하지만 Ion implantation은 직접 때려 넣는다는 점에서 원하는 양을 넣을 수 있습니다!

 

2. 원하는 깊이에 넣을 수 있다.

Diffusion은 확산으로 퍼지기 때문에 정확한 깊이에 넣는 것이 어렵습니다.

하지만 Ion Implantation은 에너지로 깊이를 조절하기 때문에 원하는 깊이에 넣을 수 있습니다.

 

3. 상온 공정이다.

반도체에서 공정을 진행할 때 온도는 낮출수록 좋습니다.

Diffusion은 확산시켜야 하기에 온도를 높여야 합니다.

하지만 ion implantation은 에너지로 쏘는 것이라서 상온공정이 가능합니다.

 

4. Ion Implantation의 중요한 파라미터들

1) Dopant

Silicon VLSI technology

 

위 그림은 Sb, As, P, B을 같은 에너지 200eV로 Silicon에 쐈을 때 농도 분포입니다.

(왼쪽에서 쐈다고 생각하시면 됩니다. 오른쪽으로 갈수록 Si의 깊은 아랫부분)

여기서 알 수 있는 점은 가벼운 물질일수록 깊게 들어간다는 것입니다!

(질량 : Sb > As > P > B)

추가로 저 농도 분포가 가우시안 분포를 가진다고 가정하고 수식을 전개할 수 있습니다.

이건 다음 포스팅에서!

 

2) Energy & dose

Silicon VLSI technology

 

다음은 에너지입니다. 

에너지를 더 많이 줄 수록 더 깊게 박히는 것을 알 수 있습니다.

 

또한 같은 물질을 깊게 넣을수록 표준편차가 커집니다.(더 퍼짐)

즉 들어간 최댓값은 작아집니다.

다음으로 같은 에너지를 주고, 다른 dose(dopant 양)를 넣었을 때 Max로 들어간 Depth는 같습니다!

 

이렇게 Ion Implantation에 영향을 주는 세 요소는 Dopant, Energy, Dose입니다.

 

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오늘은 여기까지입니다!

다음 포스팅에서는 Ion Implantation 2탄을 올리겠습니다.

이 내용은 수식적으로 이온주입이 어떻게 되는지 정리해보려고 합니다!

 

오늘도 고생 많으셨습니다.