1. 소개
이온 주입은 집적 회로 제조의 주요 공정 중 하나입니다. 이온빔을 특정 에너지(일반적으로 keV~MeV 범위)까지 가속한 후 고체 물질의 표면에 주입하여 물질 표면의 물리적 특성을 변화시키는 과정을 말합니다. 집적회로 공정에서 고체 물질은 대개 실리콘이고, 주입된 불순물 이온은 대개 붕소 이온, 인 이온, 비소 이온, 인듐 이온, 게르마늄 이온 등이다. 주입된 이온은 고체 표면의 전도성을 변화시킬 수 있다. 재료를 사용하거나 PN 접합을 형성합니다. 집적회로의 형상 크기가 서브미크론 시대로 줄어들면서 이온 주입 공정이 널리 사용되었습니다.
집적 회로 제조 공정에서 이온 주입은 일반적으로 깊은 매립층, 역도핑 웰, 임계 전압 조정, 소스 및 드레인 확장 주입, 소스 및 드레인 주입, 폴리실리콘 게이트 도핑, PN 접합 및 저항기/커패시터 형성 등에 사용됩니다. 절연체 위에 실리콘 기판 재료를 준비하는 과정에서 주로 고농도 산소 이온 주입을 통해 매립 산화층을 형성하거나 고농도 수소 이온 주입을 통해 지능형 절단을 수행합니다.
이온 주입은 이온 주입기에 의해 수행되며 가장 중요한 공정 매개변수는 주입량과 에너지입니다. 주입량은 최종 농도를 결정하고 에너지는 이온의 범위(즉, 깊이)를 결정합니다. 다양한 장치 설계 요구 사항에 따라 이식 조건은 고선량 고에너지, 중선량 중에너지, 중선량 저에너지 또는 고선량 저에너지로 구분됩니다. 이상적인 주입 효과를 얻으려면 다양한 프로세스 요구 사항에 맞게 다양한 주입기를 장착해야 합니다.
이온 주입 후에는 일반적으로 이온 주입으로 인한 격자 손상을 복구하고 불순물 이온을 활성화하기 위해 고온 어닐링 공정을 거쳐야 합니다. 전통적인 집적회로 공정에서는 어닐링 온도가 도핑에 큰 영향을 미치지만 이온 주입 공정 자체의 온도는 중요하지 않습니다. 14nm 이하의 기술 노드에서는 격자 손상 등의 영향을 변경하기 위해 특정 이온 주입 공정을 저온 또는 고온 환경에서 수행해야 합니다.
2. 이온주입 공정
2.1 기본 원칙
이온 주입은 1960년대에 개발된 도핑 공정으로 대부분의 측면에서 전통적인 확산 기술보다 우수합니다.
이온 주입 도핑과 기존 확산 도핑의 주요 차이점은 다음과 같습니다.
(1) 도핑된 영역의 불순물 농도 분포가 다릅니다. 이온 주입의 피크 불순물 농도는 결정 내부에 위치하는 반면, 확산의 피크 불순물 농도는 결정 표면에 위치합니다.
(2) 이온주입은 상온 또는 저온에서도 진행되는 공정으로 제작시간이 짧다. 확산 도핑에는 더 긴 고온 처리가 필요합니다.
(3) 이온 주입을 통해 주입된 요소를 보다 유연하고 정확하게 선택할 수 있습니다.
(4) 불순물은 열확산에 의해 영향을 받기 때문에 결정 내 확산에 의해 형성된 파형보다 결정 내 이온 주입에 의해 형성된 파형이 더 좋다.
(5) 이온주입은 보통 포토레지스트만을 마스크 재료로 사용하지만, 확산 도핑은 마스크로 일정 두께의 막을 성장 또는 증착해야 한다.
(6) 이온 주입은 기본적으로 확산을 대체했으며 오늘날 집적 회로 제조의 주요 도핑 공정이 되었습니다.
특정 에너지를 가진 입사 이온빔이 고체 타겟(보통 웨이퍼)에 충돌하면 타겟 표면의 이온과 원자는 다양한 상호 작용을 겪게 되고 특정 방식으로 타겟 원자에 에너지를 전달하여 여기시키거나 이온화하게 됩니다. 그들을. 이온은 또한 운동량 전달을 통해 일정량의 에너지를 잃을 수 있으며, 최종적으로 목표 원자에 의해 흩어지거나 목표 물질에서 멈출 수 있습니다. 주입된 이온이 더 무거우면 대부분의 이온이 고체 타겟에 주입됩니다. 반대로, 주입된 이온이 더 가벼우면 주입된 이온의 대부분이 타겟 표면에서 튕겨져 나올 것입니다. 기본적으로 타겟에 주입된 이러한 고에너지 이온은 고체 타겟의 격자 원자 및 전자와 다양한 각도로 충돌합니다. 그 중 이온과 고체 표적원자의 충돌은 질량이 가깝기 때문에 탄성충돌로 간주할 수 있다.
2.2 이온주입의 주요 변수
이온 주입은 엄격한 칩 설계 및 생산 요구 사항을 충족해야 하는 유연한 프로세스입니다. 중요한 이온 주입 매개변수는 용량, 범위입니다.
투여량(D)은 실리콘 웨이퍼 표면의 단위 면적당 주입된 이온 수를 제곱 센티미터당 원자(또는 제곱 센티미터당 이온) 단위로 나타냅니다. D는 다음 공식으로 계산할 수 있습니다.
여기서 D는 주입 선량(이온 수/단위 면적)입니다. t는 이식 시간이고; I는 빔 전류입니다. q는 이온이 가지고 있는 전하입니다(단일 전하는 1.6×1019C[1]입니다). S는 이식 면적이다.
이온 주입이 실리콘 웨이퍼 제조에 있어 중요한 기술이 된 주요 이유 중 하나는 동일한 양의 불순물을 실리콘 웨이퍼에 반복적으로 주입할 수 있다는 것입니다. 주입기는 이온의 양전하를 이용하여 이 목표를 달성합니다. 양이온 불순물 이온이 이온빔을 형성할 때 그 유속을 이온빔 전류라고 하며 단위는 mA입니다. 중전류 및 저전류 범위는 0.1~10mA이고 고전류 범위는 10~25mA입니다.
이온빔 전류의 크기는 선량을 정의하는 주요 변수입니다. 전류가 증가하면 단위 시간당 주입되는 불순물 원자의 수도 증가합니다. 높은 전류는 실리콘 웨이퍼 수율을 높이는 데 도움이 되지만(단위 생산 시간당 더 많은 이온 주입) 균일성 문제도 발생합니다.
3. 이온주입 장비
3.1 기본 구조
이온주입 장비에는 7개의 기본 모듈이 포함되어 있습니다.:
① 이온 소스 및 흡수체;
② 질량 분석기(즉, 분석용 자석);
③ 가속기 튜브;
④ 디스크 스캔;
⑤ 정전기 중화 시스템;
⑥ 프로세스 챔버;
⑦ 용량 조절 시스템.
A모든 모듈은 진공 시스템에 의해 설정된 진공 환경에 있습니다. 이온 주입기의 기본 구조도는 아래 그림과 같습니다.
(1)이온 소스:
일반적으로 흡입 전극과 동일한 진공 챔버에 있습니다. 주입 대기 중인 불순물은 전기장에 의해 제어되고 가속되기 위해서는 이온 상태로 존재해야 합니다. 가장 일반적으로 사용되는 B+, P+, As+ 등은 원자나 분자를 이온화하여 얻습니다.
사용된 불순물 소스는 BF3, PH3, AsH3 등이며, 그 구조는 아래 그림과 같습니다. 필라멘트에서 방출된 전자는 가스 원자와 충돌하여 이온을 생성합니다. 전자는 일반적으로 뜨거운 텅스텐 필라멘트 소스에 의해 생성됩니다. 예를 들어 Berners 이온 소스인 음극 필라멘트는 가스 유입구가 있는 아크 챔버에 설치됩니다. 아크 챔버의 내벽은 양극입니다.
가스 소스가 유입되면 필라멘트에 큰 전류가 흐르고 양극과 음극 사이에 100V의 전압이 인가되어 필라멘트 주위에 고에너지 전자가 생성됩니다. 고에너지 전자가 소스 가스 분자와 충돌한 후 양이온이 생성됩니다.
외부 자석은 필라멘트에 평행한 자기장을 적용하여 이온화를 증가시키고 플라즈마를 안정화시킵니다. 아크 챔버의 필라멘트 반대쪽 끝에는 전자를 다시 반사하여 전자의 생성과 효율성을 향상시키는 음전하 반사기가 있습니다.
(2)흡수:
이온 소스의 아크 챔버에서 생성된 양이온을 수집하여 이온 빔으로 형성하는 데 사용됩니다. 아크 챔버가 양극이고 음극이 흡입 전극에 음압을 가하고 있기 때문에 생성된 전기장은 아래 그림과 같이 양이온을 제어하여 흡입 전극 쪽으로 이동하고 이온 슬릿에서 빠져나옵니다. . 전기장의 강도가 클수록 이온이 가속 후에 얻는 운동 에너지도 커집니다. 플라즈마 내 전자의 간섭을 방지하기 위해 흡입 전극에는 억제 전압도 있습니다. 동시에, 억제 전극은 이온을 이온빔으로 형성하고 이온빔이 주입기를 통과하도록 평행한 이온빔 흐름으로 집중시킬 수 있습니다.
(3)질량 분석기:
이온 소스에서 생성되는 이온의 종류는 다양할 수 있습니다. 양극 전압이 가속되면 이온이 고속으로 이동합니다. 서로 다른 이온은 서로 다른 원자 질량 단위와 서로 다른 질량 대 전하 비율을 갖습니다.
(4)액셀러레이터 튜브:
더 빠른 속도를 얻으려면 더 높은 에너지가 필요합니다. 가속을 위해서는 양극과 질량 분석기에서 제공되는 전기장 외에도 가속기 튜브에 제공되는 전기장도 필요합니다. 가속관은 유전체로 분리된 일련의 전극으로 구성되며, 직렬 연결을 통해 전극의 음전압이 순차적으로 증가합니다. 총 전압이 높을수록 이온이 얻는 속도가 빨라집니다. 즉, 운반되는 에너지가 커집니다. 높은 에너지를 사용하면 불순물 이온이 실리콘 웨이퍼 깊숙이 주입되어 깊은 접합을 형성할 수 있고, 낮은 에너지를 사용하면 얕은 접합을 만들 수 있습니다.
(5)디스크 스캔 중
집속된 이온빔은 일반적으로 직경이 매우 작습니다. 중간 빔 전류 주입기의 빔 스폿 직경은 약 1 cm이고, 대형 빔 전류 주입기의 빔 스폿 직경은 약 3 cm입니다. 실리콘 웨이퍼 전체를 스캔하여 덮어야 합니다. 선량 주입의 반복성은 스캐닝에 의해 결정됩니다. 일반적으로 임플란트 스캐닝 시스템에는 네 가지 유형이 있습니다.
① 정전기 스캐닝;
② 기계적 스캐닝;
③ 하이브리드 스캐닝;
④ 병렬 스캐닝.
(6)정전기 중화 시스템:
주입 과정에서 이온빔이 실리콘 웨이퍼에 닿아 마스크 표면에 전하가 축적됩니다. 결과적인 전하 축적으로 인해 이온빔의 전하 균형이 변경되어 빔 스폿이 더 커지고 선량 분포가 고르지 않게 됩니다. 심지어 표면 산화층을 뚫고 들어가 장치 고장을 일으킬 수도 있습니다. 이제 실리콘 웨이퍼와 이온빔은 일반적으로 실리콘 웨이퍼의 대전을 제어할 수 있는 플라즈마 전자 샤워 시스템이라고 불리는 안정적인 고밀도 플라즈마 환경에 배치됩니다. 이 방법은 이온 빔 경로와 실리콘 웨이퍼 근처에 위치한 아크 챔버의 플라즈마(일반적으로 아르곤 또는 크세논)에서 전자를 추출합니다. 플라즈마는 필터링되고 2차 전자만 실리콘 웨이퍼 표면에 도달하여 양전하를 중화할 수 있습니다.
(7)프로세스 캐비티:
실리콘 웨이퍼에 이온빔을 주입하는 작업은 프로세스 챔버에서 이루어집니다. 프로세스 챔버는 스캐닝 시스템, 실리콘 웨이퍼를 로드 및 언로드하기 위한 진공 잠금 장치가 있는 터미널 스테이션, 실리콘 웨이퍼 이송 시스템 및 컴퓨터 제어 시스템을 포함하는 주입기의 중요한 부분입니다. 또한 선량을 모니터링하고 채널 효과를 제어하기 위한 일부 장치도 있습니다. 기계적 스캐닝을 사용하는 경우 터미널 스테이션은 상대적으로 커집니다. 공정 챔버의 진공은 다단 기계식 펌프, 터보분자 펌프, 응축 펌프에 의해 공정에 필요한 바닥 압력까지 펌핑되며, 일반적으로 약 1×10-6Torr 이하입니다.
(8)복용량 조절 시스템:
이온 주입기의 실시간 선량 모니터링은 실리콘 웨이퍼에 도달하는 이온 빔을 측정하여 수행됩니다. 이온빔 전류는 패러데이 컵이라는 센서를 사용하여 측정됩니다. 간단한 패러데이 시스템에는 전류를 측정하는 이온빔 경로에 전류 센서가 있습니다. 그러나 이는 이온빔이 센서와 반응하여 잘못된 전류 판독을 초래하는 2차 전자를 생성하므로 문제가 됩니다. 패러데이 시스템은 전기장이나 자기장을 사용하여 2차 전자를 억제하여 실제 빔 전류 판독값을 얻을 수 있습니다. 패러데이 시스템에 의해 측정된 전류는 전류 축적기(측정된 빔 전류를 지속적으로 축적함) 역할을 하는 전자 선량 컨트롤러로 공급됩니다. 컨트롤러는 총 전류를 해당 주입 시간과 연관시키고 특정 선량에 필요한 시간을 계산하는 데 사용됩니다.
3.2 손상 수리
이온 주입은 격자 구조에서 원자를 떨어뜨리고 실리콘 웨이퍼 격자를 손상시킵니다. 주입된 선량이 크면 주입된 층은 비정질이 될 것입니다. 또한, 주입된 이온은 기본적으로 실리콘의 격자점을 점유하지 않고 격자간격 위치에 머무르게 된다. 이러한 격자간 불순물은 고온 어닐링 공정 후에만 활성화될 수 있습니다.
어닐링은 주입된 실리콘 웨이퍼를 가열하여 격자 결함을 복구할 수 있습니다. 또한 불순물 원자를 격자점으로 이동시켜 활성화할 수도 있습니다. 격자 결함을 복구하는 데 필요한 온도는 약 500°C이고, 불순물 원자를 활성화하는 데 필요한 온도는 약 950°C입니다. 불순물의 활성화는 시간 및 온도와 관련이 있습니다. 시간이 길고 온도가 높을수록 불순물이 더 완전하게 활성화됩니다. 실리콘 웨이퍼를 어닐링하는 두 가지 기본 방법이 있습니다.
① 고온로 어닐링;
② 급속열처리(RTA).
고온로 어닐링: 고온로 어닐링은 고온로를 사용하여 실리콘 웨이퍼를 800-1000℃로 가열하고 30분간 유지하는 전통적인 어닐링 방법입니다. 이 온도에서 실리콘 원자는 격자 위치로 다시 이동하고 불순물 원자도 실리콘 원자를 대체하여 격자에 들어갈 수 있습니다. 그러나 이러한 온도와 시간으로 열처리하면 불순물이 확산되는데, 이는 현대 IC 제조 산업이 보고 싶어하지 않는 현상입니다.
급속 열 어닐링: 급속 열 어닐링(RTA)은 목표 온도(보통 1000°C)에서 매우 빠른 온도 상승과 짧은 지속 시간으로 실리콘 웨이퍼를 처리합니다. 주입된 실리콘 웨이퍼의 어닐링은 일반적으로 Ar 또는 N2를 사용하는 급속 열 프로세서에서 수행됩니다. 빠른 온도 상승 과정과 짧은 지속 시간은 격자 결함 복구, 불순물 활성화 및 불순물 확산 억제를 최적화할 수 있습니다. RTA는 또한 일시적 강화 확산을 줄일 수 있으며 얕은 접합 주입에서 접합 깊이를 제어하는 가장 좋은 방법입니다.
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게시 시간: 2024년 8월 31일