이온주입(Ion Implantation) 공정 시 계면에 데미지를 입은 웨이퍼에 상처가 아물도록 온도 변화를 주는 공정을 ‘어닐링(Annealing)’이라 한다. 어닐링 방식의 경우, 퍼니스(Furnace)를 이용한 고온 가열 방식에서 현재는 급속 열처리 방식인 RTA(Rapid Thermal Annealing) 타입이 주류가 됐다. 하지만 웨이퍼에 온도가 가해질 때 센터의 온도가 에지(Edge)보다 높아 웨이퍼가 뒤틀리거나(Warpage) 단층(Dislocation)이 발생하는 등의 문제가 완전히 해결된 것은 아니다. 따라서 웨이퍼 상의 온도를 균일하게 유지하기 위해 복사광선 타입인 RTA를 보완하거나, 일반적인 열처리 방식인 Full-Batch Type과 RTA의 복합형을 연구하는 등 다양한 형태의 어닐링 개발이 활발히 이뤄지고 있다. 반도체 탐구 영역, 다섯 번째 시험 주제는 ‘어닐링’이다. 반도체 공정 중 하나인 어닐링에 대해 얼마나 알고 있는지 문제를 풀며 확인해 보자.
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▶ 1. ④ 2. ① 3. ③ 4. ⑤
[해설]
1. 불순물 원자가 이온주입 에너지를 받아 실리콘 원자와 충돌할 경우 공유결합을 하고 있던 실리콘 원자는 정위치에서 멀리 벗어나고, 불순물 원자 역시 어느 일정 거리 정도는 정위치 자리에서 벗어나게 된다. 이후 어닐링 공정을 진행하면 상대적으로 정위치에 가까이 있던 불순물 원자가 어닐링 에너지를 받아 정위치로 돌아오게 되고, 멀리 떨어져 있던 실리콘 원자는 정위치 자리로 되돌아오지 못하게 된다.
2. Full-Batch Type 방식은 25~100장의 웨이퍼가 로딩(Loading)된 퍼니스가 열처리를 하는 일반적인 방식으로, 히터를 이용해 장시간에 걸쳐 웨이퍼에 열에너지를 공급한다. 반면 RTA(Rapid Thermal Annealing)는 웨이퍼를 한 장씩 처리하는데, 히터 대신 텅스텐 할로겐 램프(Tungsten Halogen Lamp)를 통해 적외선 복사광선을 웨이퍼에 짧은 시간(약 90초)에 공급하는 방식으로 열에너지를 공급한다.
RIE(Reactive Ion Etching)는 플라즈마를 이용한 건식식각 방식의 일종이다. 이방성인 양이온으로 식각 부위를 공격해 막질 내 타깃의 분자-분자 간 결합력을 약화시킨 뒤, 약해진 부위를 라디칼(Radical)이 흡착, 막을 구성하는 입자와 결합해 휘발성 화합물인 가스로 만들어 배출시키는 방식이다.
EBR(Edge Bead Removal)은 감광액(Photo Resist, PR) 코팅 시 PR액이 웨이퍼 에지(Edge)에 흘러내리는 현상을 방지하기 위해, 불필요한 에지 PR액을 시너 용액으로 제거해주는 방식이다. EBR 방식을 활용할 경우 웨이퍼 뒷면의 오염을 막을 수 있다.
PAC(Photo Active Compound)는 PR의 구성 성분으로, 양성 PR일 때는 빛의 에너지로 레진(폴리머)의 결합을 약화시키는 역할을 하며, 음성 PR일 경우는 분자 간 결합을 더욱 강화시키는 역할을 한다.
3. 어닐링의 목적은 4족 원소를 도펀트(Dopant, 3족 혹은 5족의 원소)와 화학적으로 공유결합 시키는 데 있다. 어닐링 공정 진행 후 튕겨 나간 도펀트들은 실리콘 4족 원자가 들어서 있던 격자구조로 끌려 들어와 실리콘과 공유결합 한다.
또한, 어닐링은 파괴된 공유결합을 화학적으로 복원하는 역할을 한다. 즉 이온주입 시 끊어진 공유결합이라는 연결 다리를 도펀트와 실리콘 원자 사이에 다시 이어 놓는다. 어닐링으로 열에너지를 얻으면 도펀트 주변의 4개의 실리콘 원자들과 각각 1개씩 내놓은 전자를 이용해 총 4개의 전자쌍(Electric Pair)이 공유된다.
순수실리콘 반도체는 거의 절연체(OFF) 수준이다. 어닐링은 실리콘 원자를 도펀트로 치환시킴으로써 소스와 드레인 단자에 전압이 가해질 때 전자가 흐르는 도전성 물질(ON)이 되도록 만든다. 어닐링은 위치 변경과 공유결합을 통해, 도핑된 도펀트가 전자를 내주거나 받을 수 있도록 준비시키는 공정이라고도 할 수 있다.
어닐링은 이온주입이 완료된 원자들을 필요한 깊이까지 추가로 확산시킨다. 그러나 이때 도펀트들이 수직축뿐 아니라 수평축으로도 확산될 수 있다. 어닐링이 완료된 후에는 외부 조건(추가적인 높은 온도 등)으로 인해 도펀트(특히 3족 B5)들이 불필요하게 확산되는 부분들을 많이 줄여 준다.
4. A는 이온주입/어닐링 공정을 진행하기 전의 순수실리콘으로, 4족끼리 공유결합을 하고 있다. 반면 B는 이온주입/어닐링 공정 진행 후 불순물(3족/5족)과 4족 실리콘이 공유결합을 하고 있다. 따라서 B는 도전성이 높아 A보다 비저항이 낮다. B가 5족-4족 결합일 경우 잉여전자, 3족-4족 결합일 경우 정공을 보유한다. 화학에너지적으로 생성물인 B(불순물)는 어닐링이 진행되는 동안 열에너지를 흡수해 반응물인 A(순수실리콘)에 비해 엔탈피(Enthalpy)가 높으므로, 일함수는 상대적으로 엔탈피가 높아진 B가 적다. 어닐링은 열 흡수에 의한 흡열반응이다.