반도체 확산 공정 (thermal diffusion process)

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 = 10^17~18 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.