반도체 도핑 공정(Doping)

1. 확산 공정

 진성 반도체 실리콘은 부도체에 가까운 특성을 가진다. 이러한 실리콘에 전기적 특성을 부여하기 위해서는 붕소(B), 인(P) 또는 비소(As)를 불순물로 주입 시켜 각각 p형, n형 반도체로 만들어 주어야 한다. 확산 공정을 통해 불순물을 주입하는 과정은 불순물을 주입하는 Pre-deposition 과정과 불순물을 전기적으로 활성화하고, 원하는 Junction 깊이를 갖도록 확산시키는 후속 열처리 과정으로 구성된다. 이 두 과정은 별도의 것이 아니고 동시에 진행되는 과정으로 이해하면 된다.
 확산 공정은 불순물을 포함한 가스나 액체, 고체 등을 확산 원(Diffusion Source)으로 하여 후속 열처리 과정을 통해 실리콘 내부로 확산시키는 공정을 사용하였다. 확산의 기본 개념은 농도 차이에 의해서 물질이 농도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하는 현상인데, 가장 중요한 파라미터는 농도의 차이가 얼마나 나는지와 온도 그리고 시간으로 볼 수 있다. 두 물질이 접합을 이루고 있는 상태에서 농도 차이에 의해 확산이 일어나게 된다. 접합 면에서부터 양방향으로 확산이 일어나게 되고 시간이 흐르면서 확산이 계속 진행되어 이동하는 물질의 거리가 커지게 된다. 그래프에 나타난 확산 거리는 온도와 시간의 함수이며 이를 컨트롤함으로써 물질이 확산하는 거리를 조절할 수 있다. 확산 현상을 반도체 불순물 주입 공정에서 이용하는 방식은 Pre-deposition과 Drive-in의 단계로 이해할 수 있다. Pre-deposition은 개념적으로 도펀트를 실리콘의 표면 쪽에 증착하듯이 많은 양을 주입하는 것을 의미한다. 보통 1000도 수준의 온도의 산소 분위기에서 불순물이 주입되며 표면에 불순물이 산화된 형태로 얇은 막처럼 증착되는 현상이 발생하게 된다. 이렇게 형성된 불순물은 SiO2가 더욱 안정한 물질이기 때문에 산소와 실리콘이 결합하게 되고 B와 P가 실리콘으로 도펀트로서 주입되게 된다. 그 이후 Drive-in이 바로 진행되는데 물질에 따라 다르지만 1000~1200도의 온도에서 수 시간 동안 열처리를 하게 되면 앞 단계에서 주입된 도펀트가 소자의 깊이 방향으로 확산하여 계산된 거리만큼 들어가게 되고, 표면으로부터 깊이 방향으로 도펀트 농도의 분포를 가지게 된다. 확산 공정은 실리콘 단결정에 손상 없이 p형, n형 반도체를 형성할 수 있다는 장점이 있지만, 정확한 불순물량을 조절하기 힘들고 접합 깊이를 정확히 조절하기 힘들다는 문제점이 있다. 특히 불순물 농도가 소스/드레인과 같이 고농도이면 농도 조절에 크게 문제가 없지만, 낮은 농도를 정확하게 조절해야 하는 문턱 전압 조절용 도핑은 불가능하다. 가장 문제가 되는 것은 Drive-in 공정 진행 시 등방성으로 불순물의 확산이 진행되는데, 수평적으로 확산이 진행되면 최근의 미세화된 소자를 구현하기가 어려워진다. 과거에는 소자의 크기가 컸기 때문에 수평적으로 확산이 되는 거리를 미리 계산하여 사용하였지만, 최근에는 이마저도 정밀한 소자의 특성을 제어할 수 없기 때문에 이온 주입공정을 이용하여 도핑 공정을 진행하고 있다. 실리콘에 주입된 도펀트의 농도 분포를 측정하기 위해서 많이 사용하는 방법은 이차 이온 질량분석법(Secondary Ion Mass Spectroscopy, SIMS)의 물리적인 평가 방법과 확산 저항 단면도법(Spreading Resistance Profiling, SRP)의 전기적인 평가 방법을 들 수 있다. 먼저 이차 이온 질량 분석법은 도핑된 샘플을 표면으로부터 스퍼터링 하면서 튕겨 나오게 되는 이온의 질량을 분석하여 깊이 방향에 따른 농도를 분석하는 장치이다. 두 번째로 SRP에 의한 방법은 위의 SIMS 측정법과는 다르게 전기적인 저항을 측정하여 도펀트의 농도 프로파일을 얻어낸다. 도핑된 실리콘을 표면과 매우 작은 각도로 갈아주게 되면 깊이 방향으로 경사진 면이 나타나게 된다. 이 경사진 면을 일정한 거리만큼 이동하면서 2개의 탐침으로 저항을 측정하게 된다. 측정된 깊이에 따른 전기 저항은 저항-비저항-도펀트 농도의 실험치에 의한 상관관계를 통해 깊이에 따른 도펀트 농도로 환산되어 진다. 표면으로부터 작은 각도로 연마하는 이유가 깊이 방향으로 정밀하게 측정하기 위함이지만 최근의 나노 수준의 도핑 깊이를 측정하기에는 무리가 있다. 이러한 도핑 농도 프로파일 방법은 실제의 소자 내에서 도펀트 분포를 측정하는 것이 아니기 때문에 간접적으로 평가 분석하는 방법이다. SIMS와 SRP 방법 모두 실리콘 웨이퍼에 도핑 조건에 따른 상대적인 비교의 방법으로 사용되고 있다. 하지만 최근 스케일이 작아지고 복잡해지는 구조의 소자 형태에서 정확한 측정을 통한 프로파일링이 불가능하기 때문에 주로 시물레이션의 결과와 위의 결과를 비교 분석하면서 문제 원인 파악이나 공정 조건 평가의 방향을 검증하는 방법으로 사용하고 있다.

2. 이온 주입공정(Implantation)

 확산공정을 통해서는 도핑 농도와 접합 깊이를 제어할 수 없고, 등방성 도핑이며 표면 저농도 도핑이 어려운 문제점을 극복하기 위해 도입된 방법이 입자가속기의 원리를 이용하여 불순물을 주입하는 방법인 이온주입(Ion Implantation) 방법이다. 이온주입 방식으로 원하는 이온을 정확한 에너지로 정확한 양을 웨이퍼 상에 마스크로 가려지지 않은 부위에 주입할 수 있어, 확산 방식의 도핑과 비교할 때보다 정확한 소자 제작이 가능하게 된다. 이온주입은 단결정 구조에 원자 크기의 이온을 주입하는 것이기 때문에 결정구조 방향에 따라 이온주입 깊이가 영향받을 수 있다. 이온주입 각도에 따라 원자들과 충돌 없이 이온이 깊이 들어가는 현상이 발생할 수 있는데, 이러한 현상을 채널링(Channeling)이라고 한다.