[이온 주입 공정] 이온 주입 방법 2 - 이온주입기 (Ion Implanter)

진공상태에서 진행

양과 깊이 및 농도를 조절 가능해 소형화(미세화)가 가능합니다.

이온이 방향성을 가져 수직적인 Profile이 가능합니다. (확산 적음)

 

생산성은 낮으나 Particle 이슈를 개선해 수율 향상. Annealing 공정이 필수.

가벼운 원소로 주입할수록 깊게 주입됩니다. (원자랑 부딪치면서 막히기 때문)

  - B의 경우 너무 가벼워 BF2+ 형태로 주입

저온공정(Heat Budget 감소)입니다.

- Heat Budget: Wafer가 많은 공정을 거치며 받은 Heat 총량을 의미합니다.

 

단점으로는 공정이 복잡하고, 비싼 공정이며, 독성 Gas 문제와 고전압 등 안전문제가 있습니다.

이온주입기를 통한 방법의 이온분포

이온 주입기의 구조와 역할

1. Ion Source:

Filament를 가열해 만들어 낸 Hot Carrier를 가속시켜 중성원자와 충돌시켜 양이온 생성하고,

전기장으로 양이온 추출합니다.(Ion Beam 형태)  (N type Ion: As2+, P+ // P type Ion: BF2+, B+,)

2. 90° Analyzing Magnet (분류기):

원하는 이온을 Magnet(자기장)으로 분류, 질량에 따라 Path 제어해 추출합니다.

무거우면 덜 꺾이는 성질을 의미합니다. (플레밍의 법칙)

3. Acceleration (가속기):

Doping Profile 상의 Junction Depth(깊이)를 제어하는 곳입니다. (Beam in – High Voltage – Beam Out) (이온 가속)

4. Scanner (주사 장치) 정해진 양만큼 이온을 주입해주는 곳입니다.

이온 직경(약 25mm)과 Wafer 직경(약 200mm 이상)의 차이로 균일한 이온 주입을 위해

Beam과 Wafer를 움직여 진행합니다. 

1) 정전기적 주사법: Wafer 고정. Ion Beam 이동. 빠름, 파티클 적음, Shadowing 효과 발생 - Low Dose 용

2) 기계적 주사법: Ion Beam 고정, Wafer 이동, 느림, 파티클 생성, Ion Beam을 효과적으로 사용가능 – High Dose 용

3) 혼합 주사법: Ion Beam과 Wafer 모두 이동

5. Chamber(이온주입실): 이온의 양 모니터링                

6. Focus – Beam 사이즈를 1cm 이하로 만들어 주는 곳입니다.

7. Beam Trap – 컨트롤이 어려운 Neutral Atom을 잡아 제거해 Uniformity 증가시켜 줍니다.

 

이온주입기

 

이온 주입 공정 변수

1. Dopant            

2. Dose               

3. Energy: 가속을 위한 힘, 이온의 깊이 조절

4. Beam Current: 단위 시간 당 주입되는 불순물의 양을 전기적으로 표현한 값

5. Tilt/Twist/Rotation: Wafer Handling에서 기울이거나 회전하는 것

 

이온 분포 파라미터

- Range, R: 이동거리                       

- Projected Range. Rp: 주입된 이온들의 평균 투과 범위 (가우시안 분포), 가벼울수록 큼

- Projected Straggle, ∆Rp, σp:  이온이 입사되는 깊이 방향의 통계적 변동

- Projected Lateral Straggle. ∆RL, σL: 이온의 입사방향과 수직분포 변동

∆RL억제가 Scaling에 직접적인 영향

(Mask가 가리는 부분(이온 주입이 필요 없는 부분)에 확산되어 들어가는 양– 원하지 않는 부분의 수치 값)

가벼운 이온은 ∆RL이 작고, ∆Rp가 크며 무거울수록 반대 값을 가집니다. (무거울수록 Scattering이 일어나기 때문에)

이온 에너지가 클수록 R과 Rp가 커지고, Rp값에서 최대 농도를 가지고 에너지가 점차 감소하면서 넓은 분포를 보입니다. (가우시안 분포)

Dose가 증가할수록 Rp에서 농도가 증가하고, 분포도가 커집니다.

  

R과 Rp

Rp

수치로 보는 이온 분포 파라미터

Ion Damage

이온 데미지

-이온 정지 이론: 이온 주입 후 특정 Mechanism에 의해 가속된 이온이 특정 Depth에 멈추게 됨.

가벼운 이온: 종단에서 격자 Damage 발생       

무거운 이온: 표면에서 큰 Damage발생. 비결정질(Amorphous) 상태로 바꿈.

 

Stopping Power: 기판에 침투하는 동안 단위거리 당 손실된 에너지. 높을수록 정지할 확률이 커짐

1. 이온이 Target으로 주입될 때 멈추는 Nuclear Collision Mechanism:

이온 에너지가 증가할수록 Nuclear Stopping Power 감소.

이온이 격자 원자들의 핵과 충돌하고, 충돌과 동시에 Si 결정 구조에 Damage를 줌 (무거운 이온일수록 큼 - 표면에 많음)

2. 전자의 쿨롱 상호작용에 의한 Electronic Stopping Mechanism:

이온 에너지가 증가할수록 Electronic Stopping Power 증가.

전자가 격자를 이루는 원자와 충돌. 경로가 크게 바뀌지는 않음. Energy가 매우 적어 Damage는 무시할 정도

Stopping power

3. 결론

무거운 이온(As+)이면서 이온 에너지가 낮을수록 Nuclear Stopping

무거운 이온이 가벼운 타겟에 Implant할 때 back Scattering에 의해

Rp보다 얇은 영역에서는 가우시안 분포보다 더 많이 분포

 

가벼운 이온(B+)이면서 이온 에너지가 높을수록 Electronic Stopping

가벼운 이온이 무거운 타겟에 Implant할 때 back Scattering이 적게 일어나

Rp보다 깊은 영역에서는 가우시안 분포보다 더 많이 분포

 

참고: Coulomb`s Force: 에너지가 높을수록 반발력이 커서 소실되는 에너지가 크다.