반도체 8대 기술 - IMP 공정

1. Ion Implantation

- 정의

이온을 목표물의 표면을 뚫고 들어갈 만큼 큰 에너지를 갖도록 전기장으로 가속하여 반도체 내부로 넣어 주는 방법을 ION Implatition이라고 합니다.

 

- 사용하게 되는 이유

반도체 공정 중에서 이온 공정에 대해서 알아 보겠습니다. 이온 주입이란 반도체가 전기적인 특성을 나타나게 하기 위해서 이온을 목표물을 표면을 뚫고 들어갈 만큼 큰 에너지를 갖도록 전기장을 가속하여 목표물에 넣어 주는 공정입니다. 왜 이러한 공정을 사용하는 것일까요? 

 

우리가 반도체라 일컫는 말은 전기전도도가 도체와 부도체의 중간 정도 되는 물질을 말하는 것입니다. 보통 실리콘(Si), 저마늄(Ge), 갈륨아세나이드(GaAs) 등이 있습니다. 하지만 순수 상태의 반도체는 부도체 처럼 전기가 거의 통하지 않습니다. 그러므로 특정 불순물을 첨가하여 전기 전도도를 상향 시켜서 도체 처럼 전류가 잘 흐르게 해야 합니다. 이온 주입은 반도체 디바이스 제조 공정 뿐만 아니라 재료과학적으로 다양한 방면에 사용됩니다. 타켓 물질에 이온을 주입하게 되면 화학적 특성이 바뀔수 있고 결정 구조에 데미지를 주어 파괴될 수도 있습니다. 

 

보통의 원자들은 안정된 상태로 되려고 합니다. 특히 원자들은 최외각 전자를 8개 유지하려는 성격을 지니고 있습니다. Si의 경우를 생각해볼까요? 최외각 전자를 4개를 가진 Si은 이웃하는 전자끼리 공유 결합을 통해 8개의 최외각 전자를 유지하며 안정된 상태를 가집니다. 이러한 형태를 진성 반도체라고 하는데, 자유전자가 없기 때문에 전류가 흐르지 못합니다.

 

그렇다면 이러한 진성 반도체에 불순물을 주입한다면? 3족의 B 원소는 최외각 전자를 3개 지니는데 이를 실리콘에 주입하게 되면 최외각 전자 3개가 공유 결합하고 전자 하나가 빈 상태가 됩니다. 이를 정공(HOLE)이라고 합니다. 실리콘에 전압을 걸면 전공이 이동하며 전류가 흐릅니다. 이 때 3족원소를 Acceptor라고 하고 이 반도체를 P형 반도체라고 합니다. (응팔 정(HOLE)붕(Boron)이! 피(P형 반도체)해자라고 어(Acceptor)필하네)

 

그렇다면 이번에는 5족 원소 P 원소, 즉 최외각 전자 5개를 가진 원소를 주입해 봅시다.  실리콘에 최외각 전자 4개와 결합하고 남은 한 개의 '자유 전자(Electron)'이 생깁니다. 이때 전압을 걸면 전자가 이동하여 전류가 흐르는데 5족 원소를 도너(Donor)라고 하며 N형 반도체가 됩니다. (전(Electron)인(P)구씨는 엔(N형 반도체)간히 돈(Donor)를 잘 벌구나!)

1-1.이온 주입 공정 변수

   도펀트(Dopant), 에너지(Energy), 단위 면적당 도핑 정도(Dose), 기울기(Tilt) 4가지 변수가 있습니다.

도펀트의 종류는 (As, P, B..)에 따라 고체 용해도가 달라서 도펀트의 종류는 도핑 농도에 영향을 미칠 수 있습니다. Dose의 경우 단위 면적당 도핑을 많이 할 수록 전기전도도가 높아지지만 과하게 진행 되면 전자가 생성되지 않는 경우가 생기므로 적당량의 Dose를 사용해야 합니다. 기울기의 경우 이온이 원자에 부딪히지 않고 깊숙이 들어가는 Channeling 을 만들 수 있기 때문에 이를 막기 위해 약 7도 정도 기울여서 주입하거나 표면에 Oxide를 형성 시키면 막을 수 있습니다.