이온주입공정 1 I. 서론 II. 이온주입장비 III. 이온주입의특징및응용 IV. 비정질에서의주입이온의분포 V. 단결정에서의주입이온의분포 VI & VII. 손상과어닐링 VIII. 소자및집적회로제조기술에미치는영향
I. 서론 2 1. 목적 : 정확한양의불순물을원하는곳에도핑하는것. 에너지 : 20 ~ 5000 kev (~Mev) 거리 : 100 ~ 10,000 A 농도 : 10 14 ~ 10 21 atoms/cm 3 2. 응용 : 1968 varactor diode, Al-gate MOSFET 1969 ~ 1975: IC process 응용연구 Stanford Univ. Gibbons group(james Sansbury) 현재 furnace doping free process (V T 조절, well 도핑, S/D 도핑 ), III-V process gettering, SIMOX wafer 3. Mask materials: 산화물, 질화물, 감광막, 다결정실리콘, 금속박막 4. Study: 장비, 이온주입의특징, 손상과어닐링, IC 제조기술에의응용
II. 이온주입장비 3 구성 : 이온공급부, 분류기, 가속기, 집중기, 중성빔포획장치, 주사기, 웨이퍼가공실 < 이온주입장치 > < 자장에서의질량분석 >
4 1. 진공장치 : 10-7 ~10-8 torr diffusion pump, ion pump 2. 이온공급장치 원리 : 전자 (hot filament) 가속 중성원자충돌 이온생성 형태 : arc-discharge 형, duoplasmatron 형 cold cathode 형, RF 형 사용가스 : BF 3, PH 3, AsH 3, BCl 3, AsF 3 생성이온 : 10 B(19%)+ 11 B(81%) in BF 3 ion 의종류 : 10 B +, 10 BF +, 10 BF 2+, 10 BF 3+, F 2+, 11BF +, 11 BF 2+, 11 BF 3+, 10B 2+,
5 < 이온공급부 >
6 3. 분류기 : 원하는이온을선택하는곳 : 11 B + 원리 : H(kG), P(cm), M(16.000, O + ), E(keV) HP = 4.5qME q=1, B + q=2, B 2+ 이온질량과에너지가증가할수록자장의세기가커져야이온궤적의반경이일정하게유지된다. 4. 가속기 : E(keV) = qv(kv) V=150 kv, P + ion 이가속되면 150 kev V=150 kv, P 2+ ion 이가속되면 300 kev 방식 : 선분류방식 : 25 kev 가속후분류하여최종에너지까지가속 후분류방식 : 최종에너지를얻은후분류
7 5. 집속기 정전장렌즈또는자장렌즈를사용하여직경 1 cm 의빔을형성 6. 중성빔포획장치 P + + N 2 P + N + 2 scanning( 주사 ) 에영향이없으므로 wafer 중앙에주입되어 P의 uniformity를나쁘게한다. 7. 주사기 방법 : X-Y 주사법 혼합주사법 기계적주사법
8 8. 이온주입실 Q < 10 13 ions/cm 2 10 초이내에이온주입 throughput : 웨이퍼가공실의진공만드는데대부분시간이소요. Q >10 13 ions/cm 2 인경우는 wafer handling 보다이온주입시간이문제 high current implanter Faraday 컵 : 기판에서나오는전자나이온을잡아주는장치
III. 이온주입의특징및응용 9 1. 불순물단위주입량 (dose) : Q [ions/cm 2 ] 범위 : 10 10 10 17 ( 이온 /cm 2 ) 10 10 10 12 : 열확산에의하여얻을수없음 10 15 10 17 : 열확산에의한결과와비슷 2. profile 의조절 R P : 표면에서수직거리의평균치 투사범위 R P : 수직거리의표준편차 투사범위표준편차 profile : Gaussian 3. 측면퍼짐의감소 < 이온주입후의불순물분포 > < 열확산후의불순물분포 > 측면확산거리는 0.8 수직확산거리정도
10 < 이온주입분포를위해규격화된가우시안분포 >
11 4. 저온공정 감광막을 mask 로사용할수있어 mask material 의 etching 생략가능 감광막두께 : dose 의 0.0001% 보다작게할수있는두께 5. 높은처리량 < 처리량과단위주입량 (dose) 의한계 > 주사법, 진공만드는시간, 웨이퍼냉각, 주입시간, 웨이퍼이송및장착시간 6. 불순물공급원 가스를사용하므로간단하고안전 가스가없는경우고체를가열하여증기를얻어서할수있음
IV. 비정질에서의주입이온의분포 12 가속된이온이 target 를때리면 implantation, reflection, sputtering 1. 분포범위 (distribution range) ion range (R) projection range (R p ) 분포 수직분포 수직거리 수평거리 < 이온범위 R 과투사범위 R P 의정의 >
13 2. 에너지손실방정식 가속된이온은 target atom과의상호작용 atom에있는전자와이온 atom의핵과이온 에너지손실방정식 de = N{ S n ( E) + S e ( E) } dx S n (E) : nuclear stopping power S e (E) : electronic stopping power N : target 의원자농도 [ 원자 /cm 3 ] ion range R = R 0 dx = 1 N 0 E 0 { S ( E) + S ( E) } n e 1 de
14 < 실리콘에서의정지력 >
15 3. Gaussian Distribution LSS (Lindhard, Scharff, Schiott) 이론 : target가비정질 (amorphous) 인경우 φ[ 이온 /cm 2 ] : 이온주입양 (dose) R P [cm] : 이온투사범위 R P [cm] : 투사범위표준편차 C(x)[ 이온 /cm 3 ] : 이온농도 ( ) C x C max exp ( x R ) 2 φ p = 2 2π Rp 2 Rp = ( = R ) C x p = φ 2π R ( Rp ± Rp ) 0.6065Cmax C = p = 0.4φ R p
16 < 규격화된가우시안분포에서의여러가지수치들 > C x R R p p / C max x R R 0.6065 ±1.00 0.5 ±1.18 10-1 ±2.14 10-2 ±3.04 10-3 ±3.72 10-4 ±4.29 10-5 ±4.08 10-6 ±5.25 10-7 ±5.67 p p
17 < 실리콘과실리콘산화막으로의이온주입시투사범위 >
18 < 실리콘과실리콘산화막으로의이온주입시투사범위표준편차 >
19 < 실리콘질화막으로의이온주입시투사범위 >
20 < 실리콘질화막으로의이온주입시투사범위표준편차 >
21 4. 주입이온의확산 φ C( x,t) = exp π( + ) 1 2 2 2 2 R 4Dt 2 Rp D[cm 2 /sec] : 확산계수 t[sec]: 확산시간 5. 주입된이온의측면퍼짐 φ cosθ t C(x) exp 2π < x > x x = 2 p ( x x ) = 2 = R R, 2 p x cos = 2 θ p R p t + y 2 2 sin x 2 θ t ( x R ) 2 2 p + 4Dt y = 측면퍼짐의표준편차
22 < 좌표계 >
23 1 1 < 붕소이온이 40 kev 로 300A 의게이트산화막을통해서이온주입될때 > 마스크아래에생기는측면퍼짐에대한계산치들의비교 ( 여기서, 이온빔과 X축과의경사각이 0 와 8 이며, R P = 1.566A, R P = 580A, x= 653A 을가정 )
V. 단결정에서의주입이온의분포 24 < 채널링과결정방향 > (a) [110] 축을따라서볼때, (b) [110] 축과 10 경사진방향을따라서볼때, (c) [100] 축을따라서볼때, (d) [100] 축과 7 경사진방향을따라서볼때.
25 Distance from Surface (µm) < 실리콘에서 [111] 축과 0 에서 12 까지경사지게 450 kev 인을이온주입하였을때, 생기는캐리어밀도의분포모양
26 (a) (b) (c) <(a) 다결정실리콘, (b) 비정질실리콘및 (c) 채널링방향의단결정실리콘으로의붕소주입 >
27 < 실리콘에서이온채널링의임계각 > 이온 에너지 (kev) 채널방향 [110] [111] [100] B N P As 30 4.2º 3.5º 3.3º 50 3.7º 3.2º 2.9º 30 4.5º 3.8º 3.5º 50 4.0º 3.4º 3.0º 30 5.2º 4.3º 4.0º 50 4.5º 3.8º 3.5º 30 5.9º 5.0º 4.5º 50 5.2º 4.4º 4.0º
VI & VII. 손상과어닐링 28 1. 손상덩어리 E : ion energy E d : displacement energy 1) E d <E 손상이일어남 E-E d 를가진 ion의충돌 튀어나온 target atom의충돌 충돌한이온의제 2, 제 3 의충돌
29 2) 손상덩어리형성 < 직렬로일어나는충돌에의해생기는손상덩어리의모양 >
30 2. 실리콘에서의결함 1) 빈자리 - 틈새짝 (vacancy-interstitial pair) 2) 빈자리-불순물짝 (vacancy-impurity pair) 3) 빈자리-빈자리짝 (divacancy) 4) 전위루프 (dislocation loop) 5) 빈자리또는틈새의덩어리 (cluster) 6) 심하게불규칙한실리콘배치 (heavily disordered silicon) 7) 비정질실리콘 (amorphous silicon)
31 3. 손상분석기기 1) TEM: 전자의 Bragg 반사, 높은배율 2) back scattering electron microscope: Coates-Kikuchi 패턴 3) RBS: H, He ion beam, defect & crystallinity 4) EPR, ESR: RF field absorption 5) optical: 1.25 µm/1ev 흡수, 1.8 µm/0.7ev 빛흡수굴절률의변화 : a-si에서굴절률이최대
32 4. 손상의구조적특징 1) 가벼운이온이만드는손상 100 kev, B + S e = 0.02 kev/a dominant S n = 0.002 kev/a < 가벼운이온에의해생기는손실 >
33 cluster : Frenkel defects vacancies 손상중심으로이동 Si lattice 의 displacement 2) 무거운이온이만드는손상 100 kev, As + S n = 1.3 10 3 kev/ µm dominant S e = 2.2 10 2 kev/ µm cluster : 튕겨나간 Si atom Si atom이만드는 displacement Si 결정의비정질화
34 < 무거운이온에의한손상덩어리 > 3) P, Ar, Si 이만드는손상 Si lattice 원자의일부는 disorder 일부는국부적으로비정질화
35 5. 어닐링 목적 : strain, defect 를줄이고, 결정성회복 carrier mobility 회복 ( 불순물활성화 ) 온도 : 400 1000 600 에서비정질이 epi-layer 형성 시간 : 15 30 분 reverse annealing 효과 : 500 600 evaluation : carrier mobility ; dopant activation leakage current ; carrier life time 에관계 450 부분적활성화, 부분적손상회복 600 에피막의재결정, 비정질의부분적활성화, 비정질이외의상태의부분적활성화 900 고농도붕소주입의완전활성화, 이동도의완전회복 1000 소수캐리어수명의완전회복
36 < 어닐링온도와접합부의누설전류 >
37 < 어닐링온도의함수로표시된전기적인활성화의한계 >
VIII. 소자및집적회로응용 38 1. Advantage 1) throughput 이크다. 2) 낮은온도에서 annealing이가능하다. (900 1000 ) process의 heat cycle에맡길수있다. 3) 마스크재료 재료의두께 : R P + 3 R P 감광막사용가능 : 60% 실리콘과같은효과 4) 낮은도핑이가능 : 1,000 Ω/sq. 확산에서보다 10배큰저항 linear IC의 packing density 증가
39 < 이온주입시요구되는마스크재료의두께, 두께는단지 0.0001% 투과를허용함 >
40 2. MOS 집적회로에의응용 1) 문턱전압조절 < 이온단위주입량에따른 V T 의변동 >
41 <MOS 에서문턱전압조절을위한이온주입 > 채널목적주입원자사용시작한년도 enhancement V TE 감소 B 1969 P depletion V TD 증가 B 1969 field V TF 증가 P, As 1972 enhancement V TE 증가 B 1973 N depletion V TD 감소 P, As 1973 field V TF 증가 B 1973
42 < 필드에서의이온주입 >
43 < 이온주입된단위주입량에따른필드문턱전압과결합부의파괴전압 >
44 2) shallow 접합 (1) 저에너지 (< 20keV) (2) amorphization (3) thin film cover (4) RTA annealing <CMOS 구조 > <CMOS p-well 의불순물분포모양 >
45 3. GaAs doping 1) 가열의어려움과 passivation 2) high energy implant n-channel : 350 kev, 10 12 /cm 2 의 Se 3) low contact resistance <Schottky 게이트 GaAs 트랜지스터 >
46 4. 손상의직접적인이용 1) contact 저항감소 (N 형 silicon) 2) etching profile : 산화층에 ion damage 를줌 3) yield 향상 : gettering 4) SRAM cell 에서누설전류증가 Ne implant : n + -p 또는 p + -n 접합 < 이온주입에의한손상을이용한점감적인에칭 > < 이온주입을이용한누설전류의조절 >