반도체 8대 공정 - (5) 확산 공정 (Diffusion)

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이번에는 4번째 공정 식각(Etching) 공정에 이어 5번째 확산(Diffusion) 공정을 진행해보려 합니다. 확산 공정은 반도체 칩에 특별한 성질을 만들어 내는 공정입니다.

1. 확산(Diffusion) 공정

확산(Diffusion) 공정이란 웨이퍼에 특정 불순물을 주입하여 반도체 소자 형성을 위한 특정 영역을 만드는 것입니다. 식각 과정을 거친 회로 패턴의 특정 부분에 이온 형태의 불순물을 주입하여 전자 소자의 영역을 만들어 주고, Gas간 화학 반응을 통해 형성된 물질을 웨이퍼 표면에 증착함으로써 여러가지 막을 형성하는 공정을 말합니다.

최근에는 확산 공정 보다는 이온 주입(Ion Implantation) 또는 rapid thermal annealing 과정을 통해 진행하게 됩니다. 하지만 그러한 단계를 알기 전에, 먼저 확산 공정의 다양한 문제점을 이해한다면 많은 도움이 됩니다. 공정에서 말하는 확산 공정은 이온 주입과 annealing 과정을 포함한다고 봐도 되기 때문입니다.

*annealing 이란? 금속 재료를 적당한 온도로 가열한 다음 서서히 냉각시키는 과정

2. 확산 공정 기본

<침입형과 치환형 입자>

확산 공정은 먼저 실리콘 막에 얇은 불순물을 도핑 하는 것으로부터 시작합니다. 이때 도핑되는 방법에 따라 치환형 (Substitutional impurity atoms) 또는 침입형 (Interstitial impurity atoms) 두 가지 유형으로 나뉘는데요, 위 그림과 같이 말 그대로 실리콘 결정에 불순물이 치환”해서 들어가느냐 또는 침입”해서 들어가느냐 에 따라 나뉘는 것입니다.

모든 물질에는 그 물질의 고유한 패턴인 격자 라는 것이 존재합니다. 즉 Si 격자 라고 하면 실리콘 입자들이 어떤 모습으로 분포해 있는지를 나타내는 말이지요. 격자라는 것이 이론적으로는 일정한 간격으로 표현되지만 실제 Si 격자는 몇몇 입자의 displacing (있어야 할 자리에 있지 않은 현상) 때문에 Vacancy 가 생길 수 밖에 없습니다. 이러한 Vacancy 에 치환형 입자가 들어가게 된다면 실리콘과는 조금 다른 물리적 전기적 특성을 띠게 되겠죠? 침입형 입자 또한 마찬가지 입니다. 이러한 침입형 또는 치환형 입자에는 붕소(Boron), 인(Phosphorus), 비소(Arsenic), 안티몬(Antimony) 등 이 있습니다.

3. 확산 조건

에칭 공정에서 주요 인자였던 것은 균일도와 식각 속도 였습니다. 모든 반도체 제조 공정이 그러하듯 확산 공정도 그 과정이 균일하게 이루어져야 합니다. 따라서 실리콘에 불순물을 주입하여 원하는 IC(집적회로)를 모델링하기 위해, 중요한 두 가지 요소가 있습니다.

1) Constant Source Diffusion
줄여서 CSD라고 표기하기도 하는데요 이는 확산 공정이 진행되는 동안 실리콘 표면의 불순물의 농도가 일정해야 함을 말합니다. 이 때 단위 면적당 총 불순물 입자의 수 즉 농도를 나타내는 말로 dose”량 이라는 표현을 사용합니다.

2) Limited Source Diffusion
LSD. 이는 공정이 진행되는 동안 dose량이 일정해야 함을 말합니다. 또한 만약 실리콘 격자에 너무 많은 양의 불순물을 doping하게 되면 실리콘을 사용하는 의미가 없어지게 되겠죠?

4. 확산 과정

확산은 두 가지 순서으로 진행됩니다. 앞서 말한 CSD는 주로 실리콘의 얇은 표면 막에 불순물이 들어갈 때부터 적용됩니다. 이를 가리켜 pre-deposition step 이라고 말하지요. 두 번째 과정은 (LSD) drive-in입니다. 이는 실리콘 표면으로부터 얼마나 깊게 까지 dose를 할 것이냐를 말하는 것이지요.