[Ep. 5] 증착 및 이온 주입 공정(Deposition & Ion Implantation) - 이온 주입편

 [Ep. 5] 증착 및 이온 주입 공정(Deposition & Ion Implantation) - 증착편에서 PVD와 CVD에 관해 간단히 알아보았고, 반도체 공정에서 중요한 요소인 단차 피복성(Step Coverage)과 CVD의 다섯 단계에 관해서 살펴보았습니다. 이제는 증착 공정에 관해 간단히 살펴보았으니 이온 주입 공정에 관해서 설명드리도록 하겠습니다.

[Ep. 5] 증착 및 이온 주입 공정(Deposition & Ion Implantation) - 증착편

5. 증착 및 이온 주입 공정(Deposition & Ion Implantation)

2) 이온 주입(Ion Implantation)

 이온 주입 공정은 말 그대로 웨이퍼에 이온을 주입하는 공정입니다. 그렇다면 이온 주입은 왜 하는 것이고 어떤 이온을 주입한다는 것일까요? Si에 어떤 가공이나 처리를 하지 않은 상태, 즉 Pure Si라면 전류가 흐르지 않는 부도체 상태입니다. 이는 Si에 전류가 생성될만큼 충분한 자유전자가 없기 때문입니다. 그리하여 13족 원소인 B(붕소)나 15족 원소인 P(인), As(비소) 등을 Si에 주입하여 전기 전도성을 부여하는 것입니다. Si는 최외각 전자가 4개로 Si끼리 공유 결합을 하면 옥텟규칙을 만족하며 결합을 하고 있는데 이온 주입을 통해서 15족 원소인 P(최외각 전자 5개)를 Si와 결합시키면 자유전자가 하나 생기며 전기 전도성이 생긴 것을 N형 반도체, 13족 원소인 B(최외각 전자 3개)를 Si와 결합시키면 정공이 생기며 기존에 있던 전자들이 정공을 채우면서 전기 전도성이 생긴 것을 P형 반도체라고 부르는 것입니다.  

 

 이온 주입 공정에서 어떤 원소를 왜 주입하는 것인지 살펴보았고, 이제는 그 원소들을 어떻게 주입하는지 알아보도록 하겠습 니다. 원리는 간단합니다. 원소를 야구공 던지듯 웨이퍼 위에 때려넣는 방식입니다. 우리가 위에서 살펴본 P, B, As와 같이 이온 주입할 원소들을 도펀트(Dopant)라고 합니다. 이 도펀트 가스에 전기 에너지를 가해 주입할 이온을 만들고, 이 이온을 다시 전기 에너지로 가속시켜 Si 웨이퍼 표면 안쪽으로 들어가도록 하는 것입니다. 이온 주입 공정에서 중요한 것은 도펀트, 도즈(Dose, 원하는 양의 도펀트), 필요한 영역에만 정확히 주입하는 것(에너지와 관련) 입니다. 그러기 위해서 이온을 가속하는 데 사용하는 전압과 이온 빔 전류를 조절하고, 표면의 산화막을 이용해 이온이 들어가지 말아야 할 영역을 구분해 줍니다. 

 가속된 이온들은 Si 원자 사이의 결합을 끊거나 격자 사이의 틈을 비집고 들어가 웨이퍼 표면 내부에 안착합니다. 이때, 주입된 원자들이 Si 원자들과 공유 결합을 잘 형성할 수 있도록, 원자가 주입되면서 격자 구조에 결함을 치유해주기 위해 400~1000℃ 온도에 노출시키는 과정을 거칩니다. 이러한 과정은 열처리(Thermal Annealing) 또는 빠르게 열처리를 한다고 하여 급속 열처리(RTA; Rapid Thermal Annealing)이라고 합니다. 어닐링 공정까지 하게 되면 이온 주입 공정을 마치게 됩니다. 

 

 이렇게 산화 공정부터 증착 및 이온 주입 공정까지의 FEOL(Front-End Of Line)에 관해 살펴보았습니다. 다음 글은 BEOL(Back-End Of Line)에 해당하는 공정인 금속 배선 공정(Metallization)입니다. 

[Ep. 6] 금속 배선 공정(Metallization)

 

[교재]

해당 글은 왼쪽 책을 교재로 하여 제작된 글입니다.

반도체 산업에 관해 더 자세한 내용을 살펴보고 싶으신 분은

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저자: 박진성
출판: 티더블유아이지
2023.02.06