이온 주입 공정

(1)

I. 서론

II. 이온 주입 장비

III. 이온 주입의 특징 및 응용

IV. 비정질에서의 주입 이온의 분포 V. 단결정에서의 주입 이온의 분포 VI & VII. 손상과 어닐링

VIII. 소자 및 집적회로 제조기술에 미치는 영향

(2)

I. 서 론

1. 목적: 정확한 양의 불순물을 원하는 곳에 도핑하는 것.

•

에너지: 20 ~ 5000 keV (~Mev)

•

거리: 100 ~ 10,000 Å

•

농도: 10¹⁴ ~ 10²¹atoms/cm³

2. 응용:

•

1968 varactor diode, Al-gate MOSFET

•

1969 ~ 1975: IC process 응용연구

Stanford Univ. Gibbons group(James Sansbury)

•

현재 furnace doping free process

(V_T 조절, well 도핑, S/D 도핑), III-V process

•

gettering, SIMOX wafer

3. Mask materials:

•

산화물, 질화물, 감광막,다결정 실리콘, 금속박막

4. Study:

•

장비, 이온주입의 특징, 손상과 어닐링, IC 제조 기술에의 응용

(3)

주사기, 웨이퍼 가공실

<이온 주입장치>

<자장에서의 질량분석>

(4)

1. 진공장치: 10

^-7

~10

^-8

torr → diffusion pump, ion pump 2. 이온 공급 장치

•

원리: 전자 (hot filament)

→

가속

→

중성원자 충돌

→

이온 생성

•

^형태:

•

arc-discharge 형, duoplasmatron 형

•

cold cathode 형, RF 형

•

사용 가스: BF₃, PH₃, AsH₃, BCl₃, AsF₃

•

생성 이온: ₁₀B(19%)+₁₁B(81%) in BF₃

•

ion의 종류:

•

₁₀B⁺, ₁₀BF⁺, ₁₀BF₂⁺, ₁₀BF₃⁺, F₂⁺, ₁₁BF⁺, ₁₁BF₂⁺, ₁₁BF₃⁺,₁₀B²⁺, ……

(5)

<이온 공급부>

(6)

3.

분류기: 원하는 이온을 선택 하는 곳 : ₁₁

B

⁺

•

원리 : H(kG), P(cm), M(16.000, O⁺), E(keV) HP = 4.5qME

q=1, B⁺ q=2, B²⁺

•

이온 질량과 에너지가 증가할수록 자장의 세기가 커져야 이온 궤적의 반경이 일정하게 유지된다.

4. 가속기:

•

E(keV) = qV(kV)

 V=150 kV, P⁺ ion이 가속되면 150 keV

 V=150 kV, P²⁺ ion이 가속되면 300 keV

•

방식 :

 선 분류 방식: 25 keV 가속 후 분류하여 최종 에너지까지 가속

 후 분류 방식 : 최종 에너지를 얻은 후 분류

(7)

5.

집속기

•

정전장 렌즈 또는 자장 렌즈를 사용하여 직경 1 cm의 빔을 형성

6. 중성빔 포획 장치

•

P⁺+ N₂

→

P + N₂⁺

scanning(주사)에 영향이 없으므로 wafer 중앙에 주입되어 P의 uniformity를 나쁘게 한다.

7.

주사기

•

방법 :

 X-Y 주사법

 혼합 주사법

 기계적 주사법

(8)

8. 이온 주입실

•

^{Q < 10}¹³^ions/cm² 10초 이내에 이온 주입

•

throughput : 웨이퍼 가공실의 진공 만드는데 대부분 시간이 소요.

•

Q >10¹³ ions/cm² 인 경우는 wafer handling보다 이온 주입 시간이 문제

→

high current implanter

•

Faraday 컵 : 기판에서 나오는 전자나 이온을 잡아주는 장치

(9)

1. 불순물 단위 주입량 (dose) : Q [ions/cm ]

•

범위: 10¹⁰∼ 10¹⁷ (이온/cm²)

10

¹⁰ ∼ 10¹² : 열확산에 의하여 얻을 수 없음

10

¹⁵∼ 10¹⁷: 열확산에 의한 결과와 비슷

2. profile의 조절

•

R_P : 표면에서 수직거리의 평균치

→

투사 범위

•

∆R_P : 수직거리의 표준 편차

→

투사 범위 표준 편차

•

profile : Gaussian

3. 측면 퍼짐의 감소

<이온 주입 후의 불순물 분포> <열 확산 후의 불순물 분포>

☞ 측면 확산 거리는 0.8 × 수직 확산 거리 정도

(10)

<이온 주입 분포를 위해 규격화된 가우시안 분포>

(11)

4. 저온 공정

•

감광막을 mask로 사용할 수 있어 mask material의 etching 생략가능

•

감광막 두께: dose의 0.0001%보다 작게 할 수 있는 두께

5. 높은 처리량

☞

주사법, 진공 만드는 시간, 웨이퍼 냉각, 주입 시간, 웨이퍼 이송 및 장착 시간

<처리량과 단위 주입량 (dose)의 한계>

6. 불순물 공급원

•

가스를 사용하므로 간단하고 안전

•

가스가 없는 경우 고체를 가열하여 증기를 얻어서 할 수 있음

(12)

IV. 비정질에서의 주입 이온의 분포

1. 분포범위 (distribution range)

•

ion range (R)

•

projection range (R_p)

☞ 가속된 이온이 target를 때리면

 implantation,  reflection, sputtering

분포

수직거리 수평거리

수직분포

<이온 범위 R과 투사

범위 R_P의 정의

>

(13)

2.

에너지 손실 방정식

•

가속된 이온은 target atom과의 상호작용

•

atom에 있는 전자와 이온

•

atom의 핵과 이온

•

에너지 손실 방정식

•

S_n(E) : nuclear stopping power

•

S_e(E) : electronic stopping power

•

N : target의 원자 농도 [원자/cm³]

•

ion range

( ) ( ) { ^S _n ^E ^S _e ^E }

dx N

dE = +

−

( ) ( )

{ }

∫ ⁼ ∫ ⁺

⁻

=

^R

0

E 1

0

S

n

E S

e

E dE

N dx 1

R

⁰

(14)

<실리콘에서의 정지력>

(15)

3. Gaussian Distribution

•

LSS (Lindhard, Scharff, Schiott) 이론:

target가 비정질(amorphous)인 경우



φ[이온/cm²] : 이온 주입양(dose)



R_P[cm] : 이온 투사 범위



∆R_P[cm] : 투사 범위 표준편차



C(x)[이온/cm³] : 이온 농도

( ) ( )













∆

− −

∆ π

= φ ₂

p 2 p

p 2 R

R exp x

R x 2

C

( )

p p p

max

R

4 . 0 R

R 2 x

C

C ∆

= φ

∆ π

= φ

=

( ^R

_p

^R

_p

) ⁰ ^. ⁶⁰⁶⁵ ^C

_max

C ± ∆ =

(16)

0.6065 ±1.00

0.5 ±1.18

10

^-1

±2.14

10

^-2

±3.04

10

^-3

±3.72

10

^-4

±4.29

10

^-5

±4.08

10

^-6

±5.25

10

^-7

±5.67

max p

p /C R

R C x 











∆

−

p p

R R x

∆

−

<규격화된 가우시안 분포에서의 여러가지 수치들>

(17)

<실리콘과 실리콘 산화막으로의 이온 주입시 투사범위>

(18)

<실리콘과 실리콘 산화막으로의 이온 주입시 투사범위 표준편차>

(19)

<실리콘 질화막으로의 이온 주입시 투사범위>

(20)

<실리콘 질화막으로의 이온 주입시 투사범위 표준편차>

(21)

4. 주입 이온의 확산

•

D[cm²/sec] : 확산 계수

•

t[sec]: 확산 시간

5. 주입된 이온의 측면 퍼짐

( ) ( )

^^^

⁽ ⁾







 +

∆

− − +

∆ π

= φ

Dt 4 R

2

R exp x

Dt 4 R

2 t

, x

C ₂

p

2 p 12

2 p

( )

 





 





∆

− −

>

∆

<

⋅ θ π

= φ

₂

2 t

x 2

x exp x

x cos ) 2

x ( C

t 2 2

p

2

R cos y sin

x = ∆ θ + ∆ θ

∆

p

, x R

R

x = ∆ = ∆

=

∆y

측면 퍼짐의 표준편차

(22)

<좌표계>

(23)

<붕소 이온이 40 keV로 300Å의 게이트 산화막을 통해서 이온 주입될 때>

☞

마스크 아래에 생기는 측면 퍼짐에 대한 계산치들의 비교

1 1

(여기서, 이온 빔과 X축과의 경사각이 0° 와 8° 이며, R_P

= 1.566Å,

∆R_P

= 580Å, ∆x= 653Å을 가정)

(24)

V. 단결정에서의 주입 이온의 분포

<채널링과 결정 방향>

(a) [110]축을 따라서 볼 때, (b) [110]축과 10°경사진 방향을 따라서 볼 때,

(c) [100]축을 따라서 볼 때, (d) [100]축과 7°경사진 방향을 따라서 볼 때.

(25)

<실리콘에서 [111]축과 0°에서 12°까지 경사지게 450 keV 인을 이온 주입하였을 때, 생기는 캐리어 밀도의 분포 모양

Distance from Surface (µm)

(26)

<(a) 다결정 실리콘, (b) 비정질 실리콘 및 (c) 채널링 방향의 단결정 실리콘으로의 붕소 주입>

(a) (b) (c)

(27)

이온 에너지 (keV)

채 널 방 향

[110] [111] [100]

B 30 4.2º 3.5º 3.3º

50 3.7º 3.2º 2.9º

N 30 4.5º 3.8º 3.5º

50 4.0º 3.4º 3.0º

P 30 5.2º 4.3º 4.0º

50 4.5º 3.8º 3.5º

As 30 5.9º 5.0º 4.5º

50 5.2º 4.4º 4.0º

<실리콘에서 이온 채널링의 임계각>

(28)

VI & VII. 손상과 어닐링

1. 손상 덩어리

•

E : ion energy

•

E_d : displacement energy 1) E_d<E 손상이 일어남

•

E-E_d 를 가진 ion의 충돌

•

튀어나온 target atom의 충돌

•

충돌한 이온의 제 2, 제 3 … 의 충돌

(29)

2) 손상 덩어리 형성

<직렬로 일어나는 충돌에 의해 생기는 손상 덩어리의 모양>

(30)

2. 실리콘에서의 결함

1) 빈자리 -틈새 짝 (vacancy-interstitial pair) 2) 빈자리-불순물 짝 (vacancy-impurity pair) 3) 빈자리-빈자리 짝(divacancy)

4) 전위 루프 (dislocation loop)

5) 빈자리 또는 틈새의 덩어리 (cluster)

6) 심하게 불규칙한 실리콘 배치 (heavily disordered silicon) 7) 비정질 실리콘 (amorphous silicon)

(31)

3. 손상 분석 기기

1) TEM: 전자의 Bragg 반사, 높은 배율

2) back scattering electron microscope: Coates-Kikuchi 패턴 3) RBS: H, He ion beam, defect & crystallinity

4) EPR, ESR: RF field absorption 5) optical:

1.25 µm/1eV 흡수, 1.8 µm/0.7eV 빛 흡수 굴절률의 변화: a-Si에서 굴절률이 최대

(32)

4. 손상의 구조적 특징

1) 가벼운 이온이 만드는 손상

100 keV, B

⁺

S

_e

= 0.02 keV/Å → dominant S

_n

= 0.002 keV/Å

<가벼운 이온에 의해 생기는 손실>

(33)

cluster : Frenkel defects

vacancies 손상 중심으로 이동 Si lattice의 displacement

2) 무거운 이온이 만드는 손상 100 keV, As⁺

S_n = 1.3 × 10³ keV/ µm

→

dominant S_e= 2.2 × 10² keV/ µm

cluster : 튕겨나간 Si atom

Si atom이 만드는 displacement Si 결정의 비정질화

(34)

3) P, Ar, Si 이 만드는 손상

Si lattice 원자의 일부는 disorder 일부는 국부적으로 비정질화

<무거운 이온에 의한 손상 덩어리>

(35)

5. 어닐링

•

목적 : strain, defect를 줄이고, 결정성 회복 carrier mobility 회복(불순물 활성화)

•

온도 : 400∼1000℃

600℃에서 비정질이 epi-layer형성

•

시간 : 15∼30분

•

reverse annealing 효과 : 500∼600℃

•

evaluation : carrier mobility ; dopant activation

leakage current ; carrier life time에 관계 450℃ 부분적 활성화, 부분적 손상회복

600℃ 에피막의 재결정, 비정질의 부분적 활성화, 비정질이외의 상태의 부분적 활성화

900℃ 고농도 붕소 주입의 완전 활성화, 이동도의 완전 회복 1000℃ 소수 캐리어 수명의 완전 회복

(36)

<어닐링 온도와 접합부의 누설 전류>

(37)

<어닐링 온도의 함수로 표시된 전기적인 활성화의 한계>

(38)

VIII. 소자 및 집적 회로 응용

1. Advantage

1) throughput 이 크다.

2) 낮은 온도에서 annealing이 가능하다. (900∼1000 ℃) process의 heat cycle에 맡길 수 있다.

3) 마스크 재료

•

재료의 두께 : R_P + 3△R_P

•

감광막 사용 가능 : 60% 실리콘과 같은 효과 4) 낮은 도핑이 가능 : 1,000 Ω/sq.

확산에서 보다 10배 큰 저항 → linear IC의 packing density 증가

(39)

<이온 주입시 요구되는 마스크 재료의 두께, 두께는 단지 0.0001% 투과를 허용함>

(40)

2. MOS 집적 회로에의 응용

<이온 단위 주입량에 따른 V_T의 변동>

1) 문턱 전압 조절

(41)

<MOS에서 문턱전압 조절을 위한 이온 주입>

채널 목 적 주입원자 사용 시작한 년도

P

enhancement V

_TE

감소 B 1969

depletion V

_TD

증가 B 1969

field V

_TF

증가 P, As 1972

N

enhancement V

_TE

증가 B 1973

depletion V

_TD

감소 P, As 1973

field V

_TF

증가 B 1973

(42)

<필드에서의 이온 주입>

(43)

<이온 주입된 단위 주입량에 따른 필드 문턱전압과 결합부의 파괴전압>

(44)

2) shallow 접합

(1) 저에너지 (< 20keV) (2) amorphization

(3) thin film cover (4) RTA annealing

<CMOS 구조> <CMOS p-well의 불순물 분포 모양>

(45)

3. GaAs doping

1) 가열의 어려움과 passivation 2) high energy implant

n-channel : 350 keV, 10¹²/cm²의 Se 3) low contact resistance

<Schottky 게이트 GaAs 트랜지스터>

(46)

4. 손상의 직접적인 이용

1) contact 저항 감소 (N형 silicon)

2) etching profile : 산화층에 ion damage를 줌 3) yield 향상 : gettering

4) SRAM cell 에서 누설전류 증가

• Ne implant : n⁺-p 또는 p⁺-n 접합

<이온 주입을 이용한 누설 전류의 조절>

<이온 주입에 의한 손상을 이용한 점감적인 에칭>