반도체 전공정 - 이온주입(Ion Implantion)공정

Ion Implantion 공정

임플란트(Ion Implantation) 공정은 Doping 공정이라고도 하며 웨이퍼에 이온(Dopant)을 주입시켜 전기적 특성을 갖게 하는 공정이다. 4족의 실리콘에 3족 또는 5족 원소를 첨가시켜 각각 P형과 N형 반도체를 생성시키는 과정이다.

■ 이온주입 공정 정의 및 Flow

반도체 초기 단계에서는 화학공정을 통한 Doping을 했다. Dopant 원자를 포함한 가스 등을 주입시키고 열을 가해 웨이퍼 내부로 확산(Diffusion) 시키는 방법을 주로 사용했다. 반면, 임플란트 공정의 경우 화학공정이 아닌 실리콘 격자 사이에 강한 에너지의 이온을 타격해 물리적으로 삽입시키는 것이 특징이다.

■ 임플란트 공정의 진행 방식

• 먼저 주입하고자 하는 Gas를 필라멘트에 노출시킨 뒤 필라멘트에 전류를 흘려 Acr 방전을 일으키고 Gas를 이온화시킨다.
• 이온을 질량분석기 기반의 Ion Analyzer를 통과시켜 Doping 하고자 하는 이온만을 추출한다. P-Type 반도체 형성을 위해서는 B+, Ga+, In+ 이온을, N-Type 반도체 형성을 위해서는 As+, P+, Bi+ 등을 사용한다.
• 추출된 이온을 High Voltage Accelerator를 이용해 가속시켜 고에너지 상태의 Ion Beam을 만든다.
• Ion beam을 Slit 등을 통과시켜 초점을 맞추고 타깃 웨이퍼에 주입시킨다.

임플란트 공정은 물리적으로 가속된 Dopant를 이용하기에 Doping 과정이 빠른 장점이 있다. 또한, 이온의 에너지와 양에 대한 정교한 조절이 가능해 Doping 이온의 농도와 분포, 두께 등을 자유롭게 조절할 수 있다. 또한, 가열의 가정이 없기 때문에 저온공정이 가능해 공정의 안정성과 소자의 열적 보호 측면에서 유리하다.

 

반면, 가속 이온이 실리콘 격자를 물리적으로 뚫고 들어가기 때문에 웨이퍼 격자에 손상이 가해질 수 있고, Doping 된 이온 자체는 화학적으로 활성화(Activation) 되지 않아 추가적인 활성화 공정이 필요하다. 웨이퍼를 개별 처리하기 때문에 Batch 공정이 불가능하여 Through put이 낮다는 단점도 있다.

 

반응형

■ 임플란터(Implanter : 이온주입기)

주입하는 이온의 양(전류; Current)과 이온의 에너지에 따라 크게 Medium Current Implanter, High Current Implanter, High Energy Implanter로 구분할 수 있다. Medium Current는 저농도(Low Dose) Doping이라고도 하며, 10mA 이하의 Beam current를 180 keV 이하의 에너지로 채널에 주입함으로써 문턱전압(Threshold Voltage)의 수준을 설정해주는데 적용된다.

■ High Current

10mA 이상의 Beam current를 12 keV 이하로 주입해 트랜지스터의 Gate P-Si를 Doping 시키거나, Source/Drain을 형성시키는데 적용된다. High EnergyImplanter는 Current와는 무관하게 200 keV ~ MeV 수준의 고에너지 Beam을 조사함으로써 웨이퍼 상에 N-Well 또는 P-Well을 형성시키는 데 사용된다.

 

임플란트 장비의 경우 반도체의 미세공정 등에 미치는 영향이 상대적으로 제한적이기 때문에 반도체 장비 군중 드물게 Wafer Capa 투입 규모에 주로 의존하는 경향이 크다. 주요 제조사로는 Applied Materials, Axcelis Technologies 등이 시장의 90% 가까이를 과점하고 있는 영역이다.

 

국내에서는 원익머트리얼즈가 임플란트용 Gas인 BCl3, PH3 등을 공급하고 있다. 그 외에 장비 가동에 따른 부가적 구성 부품 또한 제한적이기 때문에 국내 서플라이 체인에 미치는 영향은 제한적인 측면이 있다.

■ Ion Implanter 분류 및 응용

Ion lmplanter 분류