[반도체/8대공정]비전공자와 함께 공부해보는 이온 주입 공정

8대 공정

웨이퍼 제조 > 산화 공정 > 포토 공정 > 에칭 공정 ( 식각 공정 ) > 증착 공정 / 이온주입 공정 > 금속배선 공정 > EDS 공정 > 패키징 공정 

 

저도 함께 공부해가기 위해 작성하는 내용으로 틀리거나 보충했으면 좋겠다 하는 내용이 있으시면 지체없이 말씀해주세요!!

 

자료 및 정보들은 책, 삼성 반도체 이야기, 하이닉스 , 네이버 블로그, 위키피디아, 구글 영어 자료 검색들을 통해서 얻고 있습니다!.

 

방문해주셔서 감사합니다. 

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1차적인 생각

 

이전에는 확산 공정을 통해 웨이퍼에 도펀트를 주입했었는데 , 확산 공정의 경우 고온에서 진행되어 확산 시에 웨이퍼에서 수직방향으로만 확산이 일어나는 것이 아닌 수평 방향으로도 확산이 일어나는 등방성 확산으로 인해 반도체 소자를 미세화 하는데 한계가 있었고 이를 해결하기 위해 등장한 방법이 이온주입공정  

 

이온주입 공정? 

 

이전의 공정을 통해 만들어져 온 웨이퍼에는 전기적 성질을 잘 나타내지 않는다. ( 약하게 띄는 정도 ) 

근데 이걸 전기적 성질을 잘 가질 수 있게 적당한 불순물을 섞어주는 공정 ( 안정된 상태일 경우에는 전기적 성질을 잘 안띄는데 불순물이 첨가되면 막 변하려는 성질과 부적응자들 때문에 전기가 잘 통하게 된다고 생각 - 겉도는 놈들이 전기적 성질 만들어냄 ) 

 

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-> 반도체란?

사전 : 반도체(半導體, 영어: semiconductor)는 상온에서 전기를 전하는 전도율이 구리 같은 도체와 애자, 유리 같은 부도체(절연체)의 중간 정도이고, 가해진 전압이나 열, 빛의 파장 등에 의해 전도도가 바뀐다. 

(https://ko.wikipedia.org/wiki/%EB%B0%98%EB%8F%84%EC%B2%B4)

 

+ 절대 영도 : 절대 영도(絶對零度, Absolute Zero)는 물리학에서 거시적으로 이론적인 온도의 최저점으로 0 켈빈의 온도를 의미한다. 섭씨로는 −273.15 °C에 해당하며, 화씨로는 −459.67 °F에 해당한다.

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단순한 내 생각 : 반만 도체 상태라서 원할(필요할)때 전기적 성질을 통하게 할수 있는 물건

( 반만 도체? - 반은 도체 반은 부도체라서 선택적으로 전기를 통하게 해서 도체상태도 부도체 상태도 될 수 있게 할 수 있겠구만 )    

(+ 선택적으로 전기적 성질을 통하게 할 수 있으면 뭐가 좋을까.? 생각 ) 

 

-> 그러니까 원할 때 전기적 성질을 통하게 해야하는데 이것을 웨이퍼에 적당한 불순물을 첨가해줘서 전기적 성질을 잘 띌수 있게 만들어 주는게 이온주입 공정 

-> 위에서 불순물(이온) 을 첨가해주는걸 도핑. 이때 첨가한 불순물을 도펀트    ( 이때 첨가해주는 불순물이 이온 형태이기 때문에 이온주입 공정! ) 

 

https://eng.thesaurus.rusnano.com/wiki/article887

파란 공이 불순물 , 빨간색이 웨이퍼를 이루고 있는 si의 배열정도로 생각하면 될 듯 

 

 

여기서 첨가 된거 안된거를 구분짓는 용어 

고유 반도체 : 왠지 첨가 안된 느낌 ( 깨끗 , 웨이퍼 고유 성질 갖고 있는 것) 

비고유 반도체 : 뭐가 더 들어갔으니까 고유의 성질을 잃어서 비고유 반도체 정도로 외워보자 

(+ 여기서도 뭘 넣었느냐에 따라서 p형, n형 반도체로 또 구분지어진다. 뒤에서 더 공부) 

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이온주입 공정의 순서 

 

1. 이온 주입

2. 어닐링(annealing) 은 재결정화 온도 이상의 고온에서 오랫동안 금속을 노출시켜 금속을 더 부드럽게 만드는 작업이다 ( 왜 하는가 ) 

3. 검사  

 

각 단계별로 좀 더 자세하게

 

1. 이온 주입

- 이온을 주입하는 기계 = 이온 임플란터 ( ion emplanter )

- 위 기계를 이용하여 원하는 도펀트가스로 부터 이온을 만들어서 웨이퍼 내로 주입시켜준다. 

 

구조 

1. 이온 소스부분 ( ion source )

2. 질량 분석기 ( analyzing magnet )

3. 가속기 ( accelerator )

4. 중성빔 포획 및 빔 게이트 ( neutral beam gate )

5. 이온 주사기 (X& Y scan plate)

6. 웨이퍼 챔버

 

1-1) Ion source (이온 형성) 

- 주입시키고자 하는 도펀트로 부터 ion source 를 만들어 냅니다.

-  방법 :  진공 챔버에 반응 가스를 주입 후 방전을 일으킨다.  -> 플라즈마 발생 -> 음의 전압을 강하게 걸어준다 -> 양이온들만 추출

 

1-2 ) 질량분석기 

- ion source를 통해 추출한 양이온들 중에 도펀트로 사용하려는 이온만 선별하기 위한 장치

- why? 이전의 장치에서 양이온을 추출했지만 이 양이온들에도 종류가 다양하게 있다. 그래서 필요한것만 다시 한번더 정제해준다는 느낌

- how? 선별하고자 하는 이온의 질량에 해당하는 자기장을 인가하여 적절한 운동반경을 통해 슬릿을 통과할 수 있게 된다. ( 다른 질량을 가진 이온들은 벽에 부딫혀서 통과 못함 ) 

 

1-3 ) 이온 가속기 (accelerator)

- 선별해온 이온을 웨이퍼에 주입시키기 위해서 추가적인 가속이 필요한데 이를 위해 전압을 가해 추가적으로 가속을 시켜주는 장치

- why ? 원하는 깊이대로 주입하기 위해서 이전에 걸어준 전압으로는 힘이 부족하기 때문에 

- how ? 에너지와 전압과의 관계에 따라 전압을 조절 

 

1-4 ) 중성 빔 포획 및 빔 게이트 

- 이온 빔을 웨이퍼에 고르게 주입하기 위해 이온 빔이 상하좌우로 움직여야 한다? 왜?

 

- 중성빔과 이온빔을 분리 시켜서 x,y 편향장치를 이용해 이온 빔을 상하좌우로 스캐닝 

- why? 중성화된 입자는 극성을 안띄워서 편향 장치 영향을 안받기 때문에 분리시켜 주는 것 (이때 중성 빔 포획 장치를 이용해서 중성빔만 분리 시켜 제거한다 ) 

 

1-5) 이온 주사기  (ion beam scanning , 스캔이라는 개념이 읽는다 정도로 생각해왔는데 주사한다는 개념도 있는것 같습니다. ) 

 

+ 개념 : 웨이퍼에 이온 빔을 고르게 넣기 위한 방식 

	정전기적 주사 방식	기계적 주사방식
방식	이온 빔이 움직임	웨이퍼가 움직임
장점	빠른 주사 가능, 파티클 발생 적음	이온빔을 효율적으로 사용 가능
단점	그림자 효과에 의한 미주입 지역 발생	작은 처리량으로 인한 생산성 저하 파티클 발생 가능성 높음

 -이 공정을 통해 웨이퍼에 적절한 깊이로 원하는 이온을 주입하는 공정을 진행하게 됩니다. 

 

1-6) 웨이퍼 챔버

- 이온을 주입하기 위해 웨이퍼를 위치시키는 곳 

 

 

 

2. 어닐링(annealing) 

-열처리 공정 

-금속에서의 열처리 목적 : 성형성 향상, 내부응력 제거 - > 온도를 올렸다가 천천히 식혀줘서 금속의 구조를 안정된 상태로 만들어 주는것 

 

- 왜 해주는가 ? -> 이전 공정이 웨이퍼에 물리적으로 이온을 빵 때려가지고 넣어준 것이기 때문에 웨이퍼에 기존에 형성하고 있던 실리콘의 구조가 상처입거나 변형된 곳이 있을 수 있다.

따라서 이런 것들을 치료해 원래 안정된 상태로 만들어주기 위해서 해준다고 생각하면 될 듯.

 

+ RTA (급속 열처리 ) 

 

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이온 주입 공정에서 발생할수 있는 장비 및 공정상의 문제

 

1. 웨이퍼 대전 효과

2. 전하 중화 시스템 

3. 채널링 : 규칙적 원자배열을 갖는 실리콘에 이온을 주입하였을 때 예상했던 깊이보다 더욱 깊이 들어가는 현상 

( 000

  000

  000 ) 이러한 격자구조에 이온을 주입할때 원자와 원자간 사이에 쭉 넣으면 빈공간을 타고 예상보다 깊이들어간다.

해결방법

- 웨이퍼 방향을 약간 틀어줘서 이온주입 입사각도에 변화를 주어 빈공간을 최소화 시키는 방법  (틸트) 

- 희생산화막을 통한 이온 방향 무작위화

- 선 비정질 화 (PAI) 

- 실리콘 이온을 미리 쏴서 넣어놓는다 . 

 

4. 그림자 효과 : 이온을 주입할 때 이전 공정에서 만들어진 PR이나 게이트 같은 구조물들 때문에 주입이 잘 안되는 지역이 발생하는 것 

- 웨이퍼를 4번 회전하면서 이온주입하여 해결 

 

5. 웨이퍼 손상 -> 열처리로 해결 

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추가해야할 내용

 

1. 이온주입 공정에서 사용되는 다양한 지표들? ( 고려해야하는 인자들 ) 

2. 어닐링 하는 방법 

3. 검사 공정 

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이해하기 어려웠던 내용 및 용어 

 

처음보는 생소한 단어들과 공식 

고려해야 하는 다양한 변수들

원자, 분자들 사이에서 일어나는 다양한 현상들을 직관적인 생각으로 이해하기에는 조금 난해한 부분. 

 

 

 

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반도체 공부는 생소한 용어도 많고 사용되는 공식이 다양해 더욱 어려운것 같습니다. 함께 같은 꿈과 관심사를 갖고 노력하는 모든 분들이 성공하셨으면 좋겠습니다.

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