Chapter 08

이온 주입

순수한 실리콘은 전기가 거의 통하지 않는다. 트랜지스터를 만들려면 정해진 곳에, 정해진 깊이로, 정해진 양만큼 붕소·인·비소 같은 도펀트를 넣어야 한다. 1970년대 이후 그 방법은 거의 전적으로 이온 주입(Ion implantation)이다. 도펀트를 이온으로 만들어 수 keV~수 MeV로 가속해 웨이퍼에 박는다. 넣는 양(도즈)은 전류를 세어 정확히 알 수 있고, 깊이는 에너지로 정하며, 감광막만으로 원하는 곳을 가릴 수 있다. 이 장에서는 이온이 실리콘 속에서 멈추는 물리와 그 결과인 농도 분포를 계산한다.

이온 주입기의 구성(이온원·질량 분석기·가속관·스캔·패러데이 컵)과 도즈 계측 원리를 안다.
핵 저지와 전자 저지, 투사 거리 $R_p$와 표준편차 $\Delta R_p$의 의미와 에너지 의존성을 설명한다.
가우시안 분포에서 첨두 농도와 접합 깊이를 계산하고, 비대칭(피어슨) 분포와 채널링 꼬리를 이해한다.
원하는 곳을 막는 데 필요한 감광막·산화막 두께를 계산한다.
마스크 가장자리의 측면 퍼짐, 틸트와 그림자 효과를 2차원 단면으로 확인한다.
주입 손상과 비정질화, 이후 열처리의 필요성을 안다.

이온 주입기

그림 8-1. 이온 주입기. 이온원에서 만든 이온 중 질량 분석 자석이 원하는 이온(예: ¹¹B⁺, ³¹P⁺, ⁷⁵As⁺, ⁴⁹BF₂⁺)만 골라 가속하고, 빔을 웨이퍼 전체에 고르게 훑는다. 전류를 적분하면 도즈를 알 수 있다.

종류	에너지	빔 전류	대표 용도
중전류	~10~600 keV	µA~mA	문턱 전압 조절(채널), 할로, 웰
고전류	0.2~80 keV	~25 mA	소스·드레인(10¹⁵ cm⁻² 이상), 게이트 폴리 도핑, PAI
고에너지	~0.5~5 MeV	µA	깊은 웰(레트로그레이드), 이미지 센서 포토다이오드
플라즈마 도핑 (PLAD)	~0.1~5 keV	매우 큼	극저에너지·초고도즈, 3D 구조 등각 도핑

이온은 어디서 멈추는가

실리콘에 들어간 이온은 두 가지 방식으로 에너지를 잃는다. 실리콘 원자핵과 당구공처럼 부딪히는 핵 저지(Nuclear stopping)는 이온을 크게 휘게 하고 격자 원자를 튕겨 내 손상을 만든다. 전자 구름 속을 지나며 마찰처럼 에너지를 잃는 전자 저지(Electronic stopping)는 방향을 거의 바꾸지 않는다. 무거운 이온(As)이나 낮은 에너지에서는 핵 저지가, 가벼운 이온(B)이나 높은 에너지에서는 전자 저지가 우세하다.

이온 하나하나의 궤적은 무작위지만, 수많은 이온이 멈춘 깊이의 분포는 평균 $R_p$(Projected range)와 표준편차 $\Delta R_p$(Straggle)로 요약된다. 1차 근사는 가우시안이다.

$$N(x) = \frac{\Phi}{\sqrt{2\pi}\,\Delta R_p}\exp\!\left[-\frac{(x-R_p)^2}{2\Delta R_p^2}\right], \qquad N_p = \frac{\Phi}{\sqrt{2\pi}\,\Delta R_p} \approx \frac{0.4\,\Phi}{\Delta R_p}$$

$\Phi$는 도즈(cm⁻²). 배경 도핑 $N_B$와 같아지는 깊이가 접합 깊이: $x_j = R_p \pm \Delta R_p\sqrt{2\ln(N_p/N_B)}$. 측면으로도 $\Delta R_\perp \approx (0.7\sim1)\Delta R_p$만큼 퍼진다.

실제 분포는 비대칭이다. 가벼운 붕소는 뒤로 튕기는 산란이 많아 얕은 쪽이 두툼하고(음의 비대칭도), 무거운 비소는 깊은 쪽 꼬리가 길다. 그래서 정밀한 계산에는 평균·표준편차에 비대칭도·첨도까지 맞춘 피어슨 IV 분포나, 몬테카를로 시뮬레이션(SRIM/TRIM 계열)을 쓴다.

SIMULATOR

주입 농도 분포와 접합 깊이

이온

에너지 도즈 log₁₀Φ 배경 도핑 (반대형) 스크린 산화막 분포 모양 채널링 꼬리 (틸트 0°일 때)

R_p / ΔR_p—

첨두 농도 N_p—

접합 깊이 x_j—

스크린 막에 남은 도즈—

면저항 (전부 활성화 가정)—

해볼 것: ① 붕소 30 keV는 R_p ≈ 100 nm이지만 같은 에너지의 비소는 ≈ 24 nm다. 무거울수록 얕다. 그래서 얕은 n⁺ 소스·드레인은 비소, 얕은 p⁺는 BF₂(붕소 에너지가 11/49로 줄어드는 효과)를 쓴다. ② 도즈를 10배 올리면 첨두 농도도 10배지만 접합 깊이는 조금(√ln)만 깊어진다. ③ 스크린 산화막을 두면 분포가 그만큼 얕아지고 일부가 산화막에 남는다. 채널링도 줄여 준다. ④ 채널링 꼬리를 켜면 로그 축에서 깊은 쪽에 긴 꼬리가 생겨 접합이 깊어진다. (LSS 계열 표 값 보간, 교육용 근사)

이온 (실리콘 속)	10 keV	30 keV	100 keV	비고
B (질량 11)	R_p 37 / ΔR_p 17 nm	101 / 37	300 / 73	가벼워 깊이 들어가고 채널링이 심하다
P (31)	14 / 7	41 / 17	135 / 46	n형 웰·LDD
As (75)	10 / 4	24 / 9	68 / 25	얕은 n⁺, 잘 비정질화시킨다
BF₂ (49)	≈ B 2.2 keV	≈ B 6.7 keV	≈ B 22 keV	붕소의 에너지 몫은 11/49

얼마나 두꺼워야 막는가

이온 주입의 마스크는 감광막, 산화막, 질화막, 폴리실리콘 게이트 자신이다. 마스크를 뚫고 아래로 새는 비율은 마스크 속에서도 같은 가우시안 분포를 생각해, 마스크 두께 너머에 있는 몫으로 구한다.

$$T(d) = \frac{1}{2}\,\mathrm{erfc}\!\left(\frac{d - R_p^{(m)}}{\sqrt2\,\Delta R_p^{(m)}}\right), \qquad d_{\min} \approx R_p^{(m)} + m\,\Delta R_p^{(m)}$$

$R_p^{(m)}$, $\Delta R_p^{(m)}$는 마스크 재질 속의 값. 투과 도즈 $T\Phi$가 배경 도핑을 바꾸지 않을 만큼(예: $T < 10^{-4}$, $m \approx 3.7$) 작아야 한다. 감광막은 가벼운 원소(C, H, O)라 같은 두께의 실리콘보다 약 1.6~2배 깊이까지 이온이 들어간다.

SIMULATOR

마스크 재질별 투과율과 필요 두께

이온

에너지 허용 투과율

감광막—

산화막—

질화막—

폴리실리콘—

해볼 것: ① 붕소 50 keV를 10⁻⁴까지 막으려면 감광막이 400 nm 가까이 필요하지만 질화막은 그 절반 남짓이면 된다. ② 고에너지(MeV) 웰 주입에는 수 µm의 두꺼운 감광막이 필요하다. ③ 비소는 무거워 얇은 막으로도 충분히 막힌다. 그래서 폴리실리콘 게이트(수십~100 nm)가 소스·드레인 주입의 자기 정렬 마스크가 될 수 있다. (재질별 저지 능력은 실리콘 대비 등가 두께로 근사)

마스크 가장자리: 측면 퍼짐, 틸트, 그림자

이온은 마스크 모서리 바로 아래에서 옆으로도 퍼진다($\Delta R_\perp$). 이 때문에 게이트 아래로 소스·드레인이 조금 파고들어 겹치고(오버랩), 이후 열처리로 더 퍼진다. 또 결정 격자의 원자 열 사이 통로로 이온이 깊이 미끄러져 들어가는 채널링(Channeling)을 피하려고 웨이퍼를 보통 7° 기울여 주입한다. 그런데 기울이면 키 큰 마스크(감광막, 게이트, 핀)의 한쪽 옆에 이온이 닿지 않는 그림자(Shadowing)가 생겨 좌우가 비대칭이 된다. 반대로 일부러 크게 기울여 게이트 밑을 노리는 것이 할로/포켓 주입이다.

CROSS-SECTION

마스크 개구 주입: 틸트와 그림자

이온

에너지 틸트 감광막 높이 개구 폭 이후 어닐 1000 °C 10 s

왼쪽 / 오른쪽 그림자 폭—

마스크 밑 파고든 길이 (왼 / 오)—

가운데 접합 깊이—

해볼 것: ① 틸트 7°, 감광막 300 nm면 한쪽에 약 37 nm(= 300 × tan 7°)의 그림자가 생긴다. 틸트를 0°로 하면 좌우 대칭이지만 실제 결정에서는 채널링이 생긴다. ② 감광막 높이와 틸트를 키우면 그림자가 개구 폭 전체를 덮을 수 있다. 미세 공정에서 감광막을 높이기 어려운 이유 중 하나다. ③ 틸트를 크게(±30°) 주면 마스크 밑으로 비스듬히 들어가는 할로 주입처럼 된다. 반대편에도 주입하려면 웨이퍼를 180° 돌려 한 번 더(쿼드 주입은 90°씩 네 번) 주입한다. ④ 어닐을 켜면 측면 확산으로 파고든 길이가 늘어난다. (도즈 10¹⁵ cm⁻², p형 기판 10¹⁶ cm⁻³)

손상, 비정질화, 그리고 열처리

이온 하나는 멈출 때까지 수백~수천 개의 실리콘 원자를 격자 자리에서 튕겨 낸다. 도즈가 크면 손상이 겹쳐 표면층이 아예 비정질(Amorphous)이 된다. 무거운 이온일수록 적은 도즈로 비정질화된다(As ~10¹⁴ cm⁻², Ge ~3×10¹⁴, B는 10¹⁶ 가까이 넣어도 잘 안 된다). 주입한 도펀트는 대부분 격자 사이에 끼어 있어 전기적으로 활성이 아니므로, 반드시 열처리로 손상을 회복하고 도펀트를 격자 자리에 넣어야 한다(9장).

일부러 비정질화하기 (PAI)

붕소를 얕게 넣고 싶은데 채널링이 문제라면, 먼저 Ge나 Si를 주입해 표면을 비정질로 만든다(Pre-Amorphization Implant). 비정질에는 원자 열의 통로가 없어 채널링이 사라지고, 이후 저온에서 비정질층이 아래 결정을 씨앗 삼아 다시 결정화되며(고상 에피 재성장, SPER) 도펀트를 높은 비율로 활성화한다. 다만 비정질/결정 경계 바로 아래에 남는 결함(EOR)은 누설과 과도 확산(TED)의 원인이 된다.

핵심 정리

이온 주입은 도즈(전류 적분)와 깊이(에너지)를 독립적으로, 정밀하게 제어한다. 감광막·산화막·게이트가 마스크다.
분포는 $R_p$·$\Delta R_p$의 가우시안으로 근사한다. 첨두 농도 $N_p \approx 0.4\Phi/\Delta R_p$, 접합 깊이 $x_j = R_p + \Delta R_p\sqrt{2\ln(N_p/N_B)}$.
무거운 이온일수록 얕고 좁다(As < P < B). BF₂는 붕소를 얕게 넣는 요령이다.
마스크 필요 두께 ≈ $R_p + m\Delta R_p$(마스크 재질 기준). 감광막은 실리콘보다 덜 막는다.
7° 틸트는 채널링을 줄이지만 키 큰 마스크 옆에 그림자를 만든다. 측면 퍼짐은 게이트 오버랩을 만든다.
주입은 격자를 손상시키고 도펀트는 비활성이다. 열처리가 반드시 뒤따른다.

확인 퀴즈

ΔR_p = 20 nm, 도즈 10¹⁵ cm⁻²인 가우시안 주입의 첨두 농도는 대략?

$N_p = \Phi/(\sqrt{2\pi}\Delta R_p) = 10^{15}/(2.507 \times 2\times10^{-6}\ \text{cm}) \approx 2\times10^{20}$ cm⁻³.

같은 30 keV로 B, P, As를 주입하면 R_p가 깊은 순서는?

가벼운 이온일수록 핵 충돌로 잃는 에너지가 적어 깊이 들어간다.

틸트 7°로 높이 400 nm의 감광막 옆을 주입하면 그림자 폭은 대략?

400 × tan 7° ≈ 49 nm. 미세 소자에서는 이 정도도 비대칭을 만든다.

주입 직후 바로 금속 배선을 하지 않고 열처리를 하는 이유가 아닌 것은?

열처리는 도즈를 바꾸지 않는다(오히려 일부는 표면으로 빠져나가거나 산화막으로 분리될 수 있다).