Diffusion 공정 종류 - Diffusion gongjeong jonglyu

반도체 열처리 공정 (thermal process)

반도체 열처리 공정은 산화(oxidation), 확산(diffusion), 증착(deposition), annealing 또는 RTP (rapid thermal process)등의 다양한 목적으로 실행된다. 공정은 대체적으로 700 ~ 1200°C에 달하는 매우 높은 온도에서 진행된다. 이는 반도체 내부에서 매우 다양한 용도로 쓰이는 금속들의 melting point보다 비슷하거나 높기때문에 (melting point of Cu : 1085 °C, Al : 660 °C, Au : 1,064 °C) 전체적인 공정의 초반부(front-end)에 진행한다.

Furnace는 일종의 화덕같은 장치로 반도체 열처리 과정에서 주로 사용되는 장치이며 loading system, process tubes, gas delivery system, control system 그리고 exhaust system등으로 이루어져 있다.

Furnace의 종류는 horizontal type과 vertical type이 있으며 vertical type이 낮은 오염도(low particle contamination), 큰 wafer 처리의 용이함(ability to handle larger wafers) 그리고 균일성(better uniformity)때문에 더 자주 사용된다고 한다.

확산 공정 (diffusion process)

Diffusion process는 silicon을 doping하기 위해 사용한다. 이를통해 원하는 major carrier type(n type, p type)과 저항(resistance)등을 얻을 수 있다. 일반적으로 doping시 존재하는 silicon atom과 dopant의 비율은 다음과 같다.

Number of density of silicon = 5×1022 atoms/cm3

Number of density of dopant = 1017~18 atoms/cm3

이러한 확산의 mechanism은 크게 2가지로 볼 수 있다.

1) Substitutional

Substitutional 과정은 silicon의 defect중 하나인 vacancy가 필요하다. 

이 과정은 Si 원자가 있어야할 격자구조의 빈공간(vacancy)을 impurity인 dopant 원자가 대체하는 과정이다. 이 경우 격자 구조를 dopant가 대체하여 원하는 doping 효과를 얻을 수 있다.

Diffusion of an impurity atom by (A) direct exchange and by (B) vacancy exchange 

2) Interstitial

Interstitial 과정은 정상적인 격자 결정구조에 위치해 있는 Si 원자를 밀어내고 dopant 원자가 그 자리를 차지하거나

격자 사이의 interstitial site에서 다른 interstitial site로 dopant 원자가 옮겨다니는 과정이다. 그러나 이런 경우 diffusion이 매우 빠르게 일어나고 다른 silicon과 결합을 하지 않기 때문에 원하는 doping 효과를 얻기는 힘들다.

확산 공정의 단점 (limitations of diffusion process)

Thermal process를 이용한 diffusion 방법은 장점도 많지만 그 한계가 명확하다. 등방성(isotropic)인 공정이기 때문에 원하는 특정 방향으로 dopant의 diffusion을 control하기 어렵다. 즉, masking oxide 아래로도 확산이 가능하며 이는 정밀한 doping 영역의 control이 어렵다는 것을 뜻한다.

최근 device와 회로가 마이크로~나노미터 수준으로 소형화됨에 따라 thermal budget이 부족하여(less room for dopant thermal diffusion) 더욱 사용하기 힘들어졌다.

또한 dopant의 농도(concentration)와 깊이(depth)가 둘다 온도의 영향을 받기 때문에 각각을 별개로 control하기가 힘들뿐만 아니라 furnace 내부의 오염물질로 인한 오염 가능성 또한 배제할 수 없다. 따라서 특별한 경우를 제외하고는 ion implantation으로 대체되었다.

■ 확산(Diffusion) 공정 정의 및 분류

Treatment 공정은 별도의 소재를 통해 새로운 박막을 형성시키거나 제거하는 것이 아니라, 기존 박막의 변성과 성질 변화 등을 유도하는 공정이다. 대표적으로 박막을 산화(Oxidation) 시키는 공정과 질화(Nitridation) 공정, Ion Implant 후 열처리 공정 등이 있다.

■ Nitridation

Nitridation(질화) 공정은 열 또는 플라즈마 에너지를 이용해 박막에 질소(N2 또는 NO, NH3)를 반응시켜 질화 시키는 공정이다. Thermal Nitridation의 예로는, Flash memory의 Tunneling Oxide와 Si 사이 계면에 N을 집어넣어 신뢰성을 개선시키는 사례가 있다.

Plasma Nitridation의 예로는, Gate 와 Gate Oxide 사이의 표면을 Nitridation 시켜 SiO2를 SiOxNy로 변환시키면 Metal Gate로부터의 불순물 확산을 억제하거나, 누설전류를 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

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■ Oxidation

산화(Oxidation) 공정은 활성화된 산소와 실리콘(Si) 기판을 반응시켜 실리콘 산화막(SiO2)을 성장시키는 공정이다. 대표적으로 열을 가해 형성시키는 Thermal Oxidation이 주로 사용되는데, 산소의 원천에 따라 산소를 O2 Gas에서 공급하는 경우 Dry Oxidation, 수증기(H2O)에서 공급하는 경우 Wet Oxidation으로 나누어진다.

Dry Oxidation의 경우 전기적 특성이 우수할 뿐만 아니라 얇고 양질의 Oxide 막을 얻을 수 있다는 장점 때문에 Gate Oxide 형성에 주로 사용된다. 한편, O2 가스의 침투 속도가 느려 공정시간이 오래 걸리는 한계가 있다. Wet Oxidation의 경우 수증기의 산소 전달 속도가 O2 가스보다 빨라 공정 시간을 Dry Oxidation에 비해 10배 가까이 단축할 수 있는 장점이 있다.

그러나, 막질이 상대적으로 두껍고 전기적 특성이 좋지 않아 주로 Mask Layer로 사용된다. 최근에는 소자의 집적도가 높아 열에 취약해지면서 Gate Oxide를 Wet Oxidation으로 형성한 뒤 후속 어닐링(Anneal)을 통해 박막의 품질을 높이는 방식을 사용하기도 한다.

■ Thermal/Annealing(어닐링)

열처리 공정을 하는 주요 목적은 Ion Implant 공정 이후에 1) Ion이 웨이퍼의 실리콘 격자를 뚫고 지나가는 과정에서 손상된 실리콘 격자에 열을 가함으로써 실리콘 격자의 재정렬을 유도하기 위함과, 2) 도핑된 이온이 잘 확산(Diffusion)되어 활성화될 수 있도록 에너지를 주입하기 위해서이다.

초기의 Annealing은 700도씨에서 1분 동안 노출시켰다. 그러나, 노출시간이 길어질수록 주입된 이온이 과도하게 확산되어 트랜지스터 성능을 오히려 떨어뜨리게 되는 현상이 발생했다. 이에 따라 온도를 1,100도씨로 올려서 시간을 1초 내외로 짧게 노출시키는 RTA(Rapid Thermal Annealing)이 적용되었다.

최근에는 Flash Lamp를 이용해 온도를 1,300도씨까지 올리고 1ms(밀리초) 이하로 줄인 Millisecond Anneal이 활용되고 있다. 더욱 발전된 Annealing 방식은 Laser를 이용해 노출 시간을 최소한으로 줄이는 방식이 도입되고 있다.

최신 Annealing을 적용함으로 인해 트랜지스터 Source/Drain의 Diffusion은 최소화함과 동시에 Activation이 가능하게 되었고, S/D Diffusion 영역의 축소는 곧 소자의 크기 감소로 이어지게 된다.