이온 주입 및 확산 공정

이온 주입은 반도체 도핑 방법으로, 반도체 제조의 주요 공정 중 하나입니다.

왜 도핑을 합니까?

순수 실리콘/고유 실리콘은 내부에 자유 캐리어(전자 또는 정공)가 없으며 전도성이 낮습니다. 반도체 기술에서 도핑이란 고유의 실리콘에 극소량의 불순물 원자를 의도적으로 첨가하여 실리콘의 전기적 특성을 변화시켜 전도성을 높여 다양한 반도체 소자 제조에 사용할 수 있도록 하는 것입니다. 도핑에는 n형 도핑과 p형 도핑이 있습니다. n형 도핑: 5가 원소(예: 인, 비소 등)를 실리콘에 도핑하여 달성됩니다. p형 도핑: 3가 원소(예: 붕소, 알루미늄 등)를 실리콘에 도핑하여 달성됩니다. 도핑 방법에는 일반적으로 열 확산과 이온 주입이 포함됩니다.

열확산 방식

열확산은 가열을 통해 불순물 원소를 실리콘으로 이동시키는 것입니다. 이 물질의 이동은 저농도의 실리콘 기판을 향한 고농도의 불순물 가스에 의해 발생하며 이동 방식은 농도차, 온도, 확산계수에 의해 결정됩니다. 도핑 원리는 고온에서 실리콘 웨이퍼의 원자와 도핑 소스의 원자가 이동하기에 충분한 에너지를 얻는다는 것입니다. 도핑 소스의 원자는 먼저 실리콘 웨이퍼의 표면에 흡착된 다음 이 원자가 실리콘 웨이퍼의 표면층에 용해됩니다. 고온에서 도핑 원자는 실리콘 웨이퍼의 격자 간격을 통해 안쪽으로 확산되거나 실리콘 원자의 위치를 ​​대체합니다. 결국, 도핑 원자는 웨이퍼 내부에서 특정 분포 균형에 도달합니다. 열 확산 방법은 비용이 저렴하고 공정이 성숙합니다. 그러나 도핑 깊이 및 농도 제어가 이온 주입만큼 정확하지 않고 고온 공정으로 인해 격자 손상 등이 발생할 수 있다는 등 몇 가지 제한 사항도 있습니다.

이온 주입:

도핑원소를 이온화하여 이온빔을 형성하는 것을 말하며, 이온빔은 고전압을 통해 일정 에너지(keV~MeV 수준)까지 가속되어 실리콘 기판에 충돌합니다. 도핑 이온은 실리콘에 물리적으로 주입되어 재료의 도핑된 영역의 물리적 특성을 변경합니다.

이온 주입의 장점:

저온 공정으로 주입량/도핑량을 모니터링할 수 있으며 불순물 함량을 정밀하게 제어할 수 있습니다. 불순물의 주입 깊이를 정밀하게 제어할 수 있습니다. 불순물 균일성이 좋다. 하드 마스크 외에 포토레지스트도 마스크로 사용할 수 있습니다. 호환성에 의해 제한되지 않습니다(열확산 도핑으로 인한 실리콘 결정 내 불순물 원자의 용해는 최대 농도에 의해 제한되며 균형 용해 한계가 있는 반면, 이온 주입은 비평형 물리적 과정입니다. 불순물 원자가 주입됨) 실리콘 결정의 불순물의 자연 용해 한계를 초과할 수 있는 높은 에너지로 실리콘 결정으로 변환합니다. 하나는 조용히 물건을 적시는 것이고, 다른 하나는 강제로 활을 만드는 것입니다.

이온 주입 원리:

첫째, 불순물 가스 원자가 이온 소스의 전자와 충돌하여 이온을 생성합니다. 이온화된 이온은 흡입 구성요소에 의해 추출되어 이온빔을 형성합니다. 자기 분석 후 질량 대 전하 비율이 다른 이온이 편향됩니다. (전면에 형성된 이온빔에는 대상 불순물의 이온빔뿐만 아니라 필터링해야 하는 다른 물질 원소의 이온빔도 포함되어 있기 때문입니다. out), 요구 사항을 충족하는 순수 불순물 원소 이온 빔을 분리한 다음 고전압으로 가속하고 에너지를 증가시킨 다음 집중하고 전자적으로 스캔한 후 최종적으로 목표 위치에 충돌하여 주입됩니다.

이온으로 주입된 불순물은 처리하지 않으면 전기적으로 불활성이므로 이온 주입 후 일반적으로 고온 어닐링을 거쳐 불순물 이온을 활성화시키며, 고온은 이온 주입으로 인한 격자 손상을 복구할 수 있습니다.

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