3.6 도펀트 확산(Dopant Diffusion)

 3.6.1 도펀트 확산  

 > Dopant를 Si에 주입은 일반적으로 이온 임플랜테이션으로 진행된다. 

 

 > 임플랜테이션 후 더 깊게 Dopant를 밀어 넣어야 하는 경우도 생긴다. 

 

 > 이 때 확산(Diffusion)을 이용한다. 

 

 > 이 때 확산은 Anneal(열처리)을 통해서 확산이 진행되고 원하지 않는 깊이까지 확산될 수 있다. 

 

 > 확산 층의 두께를 접합 깊이(Junction Depth)이라고 한다. 

 

 > 확산이 된 Dopant의 농도는 가우시안 분포를 형성한다. 

 

 > 확산 비율은 온도가 상승하면서 증가한다. 

 

 > 확산 온도는 보통 900°C~1200°C 범위에 있다. 

 

 > Dopant 기체/고체 증착 확산에서느 소스를 공급하는 공정 단계를 Predepostion이라고 한다. 

 

 > 소스가 차단되고 소스가 Diffusion되는 단계를 Drive In이라고 한다. 

 

 > 치즈르 뿌리고(Predeposition) 녹이는 작업(Drive In)이라고 생각하면 쉽다.

 

 > 다행히 상온에서는 Dopant의 확산도가 미미하다. 

 

 > 고성능 소자에서 이온 주입의 얕은 깊이를 요구한다. 

 

 > 일반적인 Dopant 확산에서 상용되는 Furnace Anneling은 900°C에서 많은 시간이 걸린다. 

 

 > 낮은 온도에서 격자 손상이 오래 걸리고 가벼운 Boron의 경우 너무 많이 확산되게 한다. 

 

 > 격자 손상이 오래 걸리면 확산이 그 만큼 증가된다. 

 

> 높은 온도에서 격자 손상이 빨라지고 손상이 어닐링 되면 확산 증진이 줄어들게 된다. 

 

> 이러한 현상을 TED(Transient Enhanced Diffusion)이라고 한다. 

 

> 이러한 문제를 해결하기 위해 높은 온도에서 짧은 시간으로 Diffusion 하는 방법들이 고안된다.

 

 > 급속으로 열을 가하는 RTA(Rapid Thermal Annealing), 레이저 Pulse로 하는 Laser Annealing이 있다. 

 

그림 1. Dopant Diffusity by Temperature

 

3.6.1 Dopant Diffusion

 

•Dopant implantation is commonly performed using ion implantation techniques.

 

•In some cases, additional depth of dopant penetration is needed after implantation, achieved through diffusion.

 

•Diffusion occurs during annealing, and it can result in dopant penetration beyond desired depths.

 

•The thickness of the diffusion layer is referred to as the junction depth.

 

•Dopant concentration after diffusion follows a Gaussian distribution.

 

•Diffusion rate increases with temperature.

 

•Typical diffusion temperatures range from 900°C to 1200°C.

 

•In dopant gas/solid deposition diffusion, the step supplying the source is called predeposition, while the diffusion step

is called drive-in.

 

•Visualizing it as melting cheese (predeposition) and letting it cool (drive-in) can help understand the process.

 

•Fortunately, at room temperature, dopant diffusion is minimal.

 

•High-performance devices require shallow ion implantation depths.

 

•Conventional dopant diffusion processes, such as furnace annealing, require extended time at around 900°C.

 

•Lower temperatures lead to longer lattice damage time, and light elements like boron tend to diffuse excessively.

 

•Prolonged lattice damage time increases diffusion.

 

•At higher temperatures, lattice damage is repaired faster, leading to reduced diffusion enhancement after annealing. This phenomenon is termed Transient Enhanced Diffusion (TED).

 

•To address these issues, methods for high-temperature, short-duration diffusion are devised.

 

•Rapid Thermal Annealing (RTA) and Laser Annealing using laser pulses are examples of such techniques.

 

Figure 1. Dopant Diffusity by Temperature

Reference 

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