1-32. 반도체, 전공정, 도핑

 

확산, pveducation.org

 

이온 주입, mems.mt.ntnu.edu.tw

 

 

도핑(doping)은 절연체에 가까운 진성 반도체에 인위적으로 불순물을 넣어 전기 전도도를 높이는 과정입니다.  즉, 4가인 실리콘 안으로 5가인 비소(As)를 넣으면 자유전자가 만들어지고, 3가인 붕소(B)를 넣으면 정공이 만들어지죠.  

 

도핑

 

확산과 이온 주입

 

이렇게 도핑을 하는 방법에는 높은 온도에서 불순물을 함유한 기체들이 실리콘 웨이퍼 안으로 녹아들어가서(용해), 농도 차이로 인하여 내부로 자연스럽게 이동하도록 하는 확산(diffusion)법이 있고, 에너지가 높은 원자(이온)들을 웨이퍼 표면을 관통, 내부로 반강제적으로 집어넣는 이온 주입(ion implantation)법이 있습니다.

 

확산

 

확산 공정의 경우, 웨이퍼들이 배치된 고온의 전기로 안으로 불순물을 함유한 기체를 넣어 열분해된 불순물이 웨이퍼의 표면에 흡착되어 용해 과정을 거쳐 확산되도록 하는 방법이 있으며, 기체를 대신하여 고체 확산원을 웨이퍼와 마주 보도록 배치하는 방법도 있습니다.  기본적으로 웨이퍼의 표면에 불순물층이 형성되도록 하는 사전 증착(predeposition), 그리고 이렇게 형성된 불순물층으로부터 실리콘 내부로 불순물들이 용해 후 확산되도록 하는 재분포(redistribution) 두 개의 연속 과정으로 이루어집니다. 

 

확산 공정

 

확산, 불순물 분포

 

사전 증착 과정에서는 불순물이 무한하게 공급되며, 재분포 과정에서는 한정적인 양이 공급되죠.  이러한 차이와 공정 조건, 즉 온도와 시간 등을 설계, 조절하여서 웨이퍼 내에서 불순물 도핑 영역의 프로파일, 표면 저항과 접합 깊이 등을 결정합니다.

 

 

이온 주입 공정의 경우, 원자 또는 분자를 이온화하여 적절한 에너지로 가속시켜 웨이퍼 안쪽으로 원하는 깊이만큼 이르게 한 뒤, 열처리를 하는 과정입니다.  이온 주입 장치는 이온원(ion source), 이온 분리용 자석(ion exraction & seperation magnet), 빔 제어용 슬릿(beam control slit), 가속관(acceleration tube), 수직-수평 주사 장치(vertical-horizontal scanner), 공정 영역(process area)로 구성됩니다.  보통 가속 에너지는 20keV ~ 50MeV, 이로 인한 주입 깊이는 10nm ~ 수 마이크론까지 이르죠.   

 

 

불순물의 농도와 도달하는 깊이는 주입량과 에너지로 결정을 하며, 주입된 불순물들이 지나가는 경로는 충돌 등으로 인하여 결정질이 파괴되어 거의 비정질 상태로 손상되므로 이를 복구하기 위한 열처리 과정이 수반되어야 합니다.  특징으로는 확산에 비하여 공정 시간이 짧고, 공정 온도도 낮으며(열처리 온도, 섭씨 900 ~ 1,000도), 도핑 수준의 조절 범위가 상대적으로 넓습니다. 

 

이온 주입

 

 

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