[반도체 탐구 영역] 확산공정 편

어떤 형태로든 물체 성질을 변화시키는 데에는 많은 노력과 에너지가 들어간다. 잉곳(Ingot)을 만들 때 도핑(Doping, 물리적인 특성을 변화시키기 위해 반도체에 불순물을 첨가)하기 위해서는 실리콘을 1,400℃ 이상으로 용융시켜서 진행해 웨이퍼 상태에서 표면을 통하는 방법밖에 없다. 이때 불순물 원자가 표면을 쉽게 통과하도록 1,000℃로 만들어 도핑하는 것을 확산 방식이라 한다. 이와 반대로 온도를 실온으로 낮춘 채, 온도를 높이는 대신 높은 에너지를 가해 표면을 파괴시키면서 도핑하는 방식이 있는데, 이를 이온주입(Ion Implantation)이라 한다. 그 외 도핑 방식에는 플라즈마(Plasma) 확산이 있다. 반도체 탐구 영역, 열 번째 시험 주제는 ‘확산공정’이다. 반도체 주요 공정 중 하나인 확산공정에 대해 얼마나 알고 있는지, 문제를 풀며 확인해 보자.

[정답] 아래를 드래그해 확인해주세요!

▶  1. ③  2. ①  3. ②  4. ⑤

[해설]

1. 불순물 도핑은 ‘확산’과 ‘이온주입 방식’ 2종류가 있다. 초창기에는 불순물 도핑 시 확산 방식을 적용했다. 접합형 트랜지스터(Bipolar Junction Transistor, BJT)가 전계효과 트랜지스터인 모스펫(MOSFET)으로 대체되면서 도핑 방식은 확산에서 이온주입으로 변경됐다.
ALD(Atomic Layer Deposition)는 원자층 증착으로 막을 형성하는 방식 중 가장 발전된 방식이다. 산화는 산소와 실리콘을 결합시켜 절연막을 형성할 때 적용하는 방식이다. ALD와 산화는 불순물 도핑과는 직접적인 연관이 없다. 어닐링(Annealing)은 이온주입 공정 후에 원자 간의 결합력을 회복시키기 위해 진행하는 공정이다.

2. 접합형 트랜지스터(Bipolar Junction Transistor, BJT)을 만들 때는 맨 밑층에 콜렉터(Collector) 단자를 형성하고 그 위에 베이스(Base) > 이미터(Emitter) 순으로 진행한다. 확산이 완료된 후에는 하드 마스크(Hard Mask)를 제거한다.
A는 콜렉터 단자, C는 베이스 단자, D는 이미터 단자를 형성하는 확산 방식에 관한 그림이다. B는 A > C > D 순으로 공정을 진행한 후 확산이 완료돼 하드 마스크를 제거한 모습을 나타낸 그림이다.

3. 웨이퍼 표면의 마스크는 확산용 도펀트(Dopant)들이 실리콘 기판으로 확산되는 것을 차단한다. 도펀트는 900~1,100℃ 정도의 높은 열을 가한 확산로에서 확산 에너지를 얻으며, 확산 운동은 불특정 랜덤 운동을 한다.
확산 운동은 2가지 스텝으로 진행된다. 첫 번째 단계는 증착확산(Pre Deposition)으로 표면 가까이로만 확산된다. 다음 두 번째 단계는 열에너지를 계속 공급하면 내부로 추가 확산(Drive in 확산)이 활발하게 발생하면서 어느 정도 깊은 위치까지 불순물 농도가 전달된다.

4. 확산공정 시는 불순물 입자가 불규칙적으로 움직이기 때문에(등방성), 아래쪽 수직 방향뿐만 아니라 옆쪽 수평축으로도 확산된다. 이렇게 되면 소스(Source), 드레인(Drain) 단자가 게이트 단자 밑에까지 펴져서 형성되며 이를 오버래핑(Overlapping)이라 한다. 이는 트랜지스터를 축소하고 집적화 시키는 데 방해되는 요인이다. 이산화실리콘은 SiO₂로 절연막을 뜻하고, LDD(Lightly Doped Drain)는 n-/p- 도핑을 해 게이트 단자 밑에서 드레인 전계의 영향력을 줄이기 위한 목적(결핍영역 축소)으로 사용된다. 도펀트란 단순히 불순물을 뜻한다.