3.5 도핑(Doping)

3.5.1 이온 주입

그림 1. 이온 주입

> 이온 주입은 Dopant 이온 원자를 keV~MeV의 높은 에너지로 가속시켜서 Si 표면에 발사해서 주입하는 방식이다. 

 

> 주입된 이온은 결정 속으로 들어가서 Si 원자 격자 자리를 추방 시키고 그 자리를 대신한다. 

 

 > 주입된 모든 이온은 Si 격자에 위치하지 않는다. 

 

 > 따라서 어닐(Anneal) 열처리 공정을 통해 손상된 격자를 회복하고 Dopant가 Si 원자 위치로 자리잡게 하는 (Dopant Activation)을 진행한다. 

 

 > Activation된 Dopant들은 Donor, Acceptor로 작용한다. 

 

 > 이온 주입된 이온 농도는 가우시안 분포를 갖는다. 

 

 > 이온 주입에서 Dose는 주입되는 이온으 수이며 Energy는 이온을 가속하는 에너지 즉 얼마나 깊이 주입할지의 Parameter가 된다. 

 

 > 이온 주입 공정은 Si 웨이퍼에  차징(Charging) 시켜 손상을 일으키기도 한다. 

 

 > Si 웨이퍼 표면에 전자를 주입하여 차징을 중성화시켜 차징 손상을 해결한다. 

 

그림 2. Channeling Effect

 > 결정 방향에 따라 이온 주입 깊이가 달라지는데 예상 보다 더 깊게 이온 주입이 되는 현상을 Channeling이라고 한다.

 

 > Channeling 효과가 많아지면 이온 주입 산포가 안 좋아지고 정확한 Targetting이 어려워 진다. 

 

 > 이를 해결하기 위해 이온 주입 각도를 Tilting 하거나, Ox 막을 Deposition 후 이온 주입하는 방법이 있다. 

 

 > Ox 막은 Amorphous한 구조이기 때문에 Channeling 효과를 감소 시킬 수 있다. 

 

 > 이온 주입은 많은 경우에서 패턴 위에 주입되는 경우가 많다. 

그림 3. Shadow Effect

 > 패턴 형성된 PR에 가려져서 이온 주입이 안되는 영역이 발생하는 현상을 Shadow Effect라고 한다. 

 

 > 해결 방법은 이온 주입 각도를 180도 변경(Tilit)하여 가려진 부분까지 이온 주입이 되도록 한다. 

 

3.5.1 Ion Implantation

 

Figure 1. Ion Implantation

•Ion implantation is a process where dopant ions are accelerated to high energies (keV~MeV) and implanted into the silicon surface.

 

•The implanted ions enter the crystal lattice, displace silicon atoms, and occupy their positions.

 

•Not all implanted ions fit perfectly into the silicon lattice.

 

•Annealing is performed to repair lattice damage and activate dopants by allowing them to settle into silicon lattice positions.

 

•Activated dopants act as donors or acceptors.

 

•Ion distribution after implantation follows a Gaussian distribution.

 

•In ion implantation, the dose refers to the number of ions implanted, while energy determines the depth of implantation.

 

•Ion implantation can lead to wafer charging, which can be resolved by neutralizing the charge using electron injection onto the wafer surface.

 

•Ion implantation depth varies with crystal orientation, sometimes causing deeper implantation than expected, known as the channeling effect.

Figure 2. Channeling Effect

•Channeling effect can degrade ion scattering and targeting accuracy.

 

•Solutions include tilting the ion beam angle or depositing an oxide layer before implantation. Oxide layer reduces channeling effect due to its amorphous structure.

 

•In many cases, ion implantation is performed over patterned regions.

 

Figure 3. Shadow Effect

•Shadow effect occurs when patterned photoresist blocks ion implantation, causing unimplanted areas.

 

•Tilting the ion beam angle by 180 degrees can resolve the shadow effect, allowing ions to reach previously blocked areas.

 

Reference 

-. Chenming Calvin Hu, Modern Semiconductor Devices for Integrated Circuits, PEARSON(2013)