이온주입(Ion Implantation) 공정은 20세기 신(新)연금술이라 할 수 있다. 인류는 오랜 세월 숱한 시도에도 금이 아닌 것을 금으로 바꾸는 연금술에 결국 실패했지만, 실리콘 웨이퍼를 도핑(Doping)하여 반도체로 재탄생시킴으로써 금보다도 더욱 가치 있는 물질을 얻게 됐다. 이온주입은 소스가스를 이용해 만든 이온을 웨이퍼에 물리적으로 주입하는 공정으로, 이는 절연 재질의 도전성을 높이거나 준(準)도전성으로 바꿔 소스/드레인 단자 혹은 특정 영역에 영향을 끼친다. 이온주입을 도입하기 이전에는 확산 방식으로 반도체 단자를 만들었으나, 기술(Tech.)이 발전함에 따라 확산보다는 이온주입 방식을 대부분 적용하고 있다. 반도체 탐구 영역, 세 번째 시험 주제는 ‘이온주입(Ion Implantation)’이다. 반도체 공정 중 하나인 이온주입 공정에 대해 얼마나 알고 있는지 문제를 풀며 확인해보자.
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▶ 1. ② 2. ④ 3. ① 4. ③
[해설]
1. 도즈(Dose)란 1cm2당 1초 동안 웨이퍼 표면에 주입되는 불순물의 양을 뜻한다. 불순물이 주입되는 깊이를 조절하는 것은 에너지(전압)이며, 이때 깊이는 전압의 크기에 비례한다. 틸트(Tilt)는 불순물을 주입하는 웨이퍼와의 각도를 말한다. 주입되는 이온과 실리콘의 원자가 얼마나 많이 충돌할 것인지를 고려해, 여러 시행착오(각도 조절)를 거쳐 틸트를 결정한다. 불순물의 종류는 13족과 15족으로 나뉜다.
2. 이온주입 공정 및 장비의 장점은 도즈를 관리해 이온의 주입량을 정확하게 조절할 수 있으며, 에너지를 조절해 주입되는 이온이 실리콘 경계면을 통과해 진입하는 깊이를 제어할 수 있다. 또한, 상온에서 공정을 진행하므로 열처리 장비 퍼네이스(Furnace)에서 섭씨 800~1,000도로 진행하는 확산 방식에 비해 매우 낮은 온도에서 동작이 가능하다.
단점으로는 주입되는 양이온이 실리콘의 공유결합을 파괴하고 웨이퍼에 물리적인 데미지를 주기 때문에 열처리 공정인 어닐링(Annealing)을 추가로 진행해야 한다는 것이다. 또한, Fab 라인에서 이온주입 장비가 점유하는 공간이 크므로 장비 구조 작업을 적절히 진행해 면적을 최소화해야 한다.
3. 에너지 가속 튜브는 에너지의 크기를 결정하며, 불순물의 도핑 깊이는 에너지와 비례한다. 스캐너는 웨이퍼에 불순물을 도핑하는 방식이다(유사한 스캐닝 방식은 노광 시에도 적용된다). 큰 에너지로 도핑을 진행하면 불순물이 주입되는 깊이가 깊어지고, 에너지를 차츰 줄여주면 불순물이 표면에 얇게 정착되면서 소스 및 드레인 단자를 모양새 있게 형성한다. 프로세스 챔버는 공정을 진행하는 챔버를 일반적으로 통칭하는 용어다.
4. 불순물을 웨이퍼와 충돌시키려면, 이를 양이온으로 만드는 것이 가장 수월하다(양이온보다 음이온이 만들기가 더 어렵다). 양이온은 소스가스에 열전자를 충돌시켜 만드는데, 웨이퍼를 데미지 없이 Holding하고 있는 정전척(ESC, Electrostatic Chuck)에 마이너스 전압(–V)을 인가하면 양이온이 접근해온다.
라디칼은 플라즈마 중 분자가 쪼개져 형성된 중성 상태의 불완전한 분자다. 극히 짧은 시간 동안 활동하는 입자를 말하며, 라디칼 자체는 등방성을 갖는다.
2차 전자는 1차 열전자가 중성 분자에 충돌한 후 만들어지는 전자를 의미한다. 중성자와 양성자는 핵을 구성하는 입자로, 반도체 분야에서는 핵을 포함하는 범위는 다루지 않는다.