7/28 (목) 엔지닉 반도체 빡공 스터디 9일차
17차시 이온 주입 공정
1. 이온 주입 공정 정의
- 반도체에 전도성을 부여하기 위해 웨이퍼에 불순물(도판트)을 주입(도핑)하는 공정으로 이온주입 장비를 이용하여 입자를 가속시켜 웨이퍼에 주입하는 공정
2. 이온 주입 공정과 확산 공정 비교
1) 이온주입공정
장점
- 정확한 도핑량과 깊이 제어
- 농도와 접합 깊이의 독립적 제어
- 비 등방성
단점
- 이온주입 손상
- 채널링
2) 확산 공정
장점
- 웨이퍼에 손상이 적자
- 일괄처리
단점
- 고온 공정(산화막 등 하드 마스크)
- 농도와 접합 깊이의 독립적 제어 불가
- 등방성
3. 이온 주입 장치 – 전체
① 이온 소스 : 플라즈마를 만들어 주입하고자 하는 이온을 생성하고 이온 빔을 추출
② 질량 분석기 : 질량 분석 원리를 이용 원하는 이온 빔만을 선택
③ 가속기 : 원하는 깊이의 이온주입을 하기 위해 이온을 가속
④ 중성 빔 게이트 및 빔 포획 : 중화된 중성 빔을 경사 전계 인가하여 여과
⑤ 이온주사기 : 웨이퍼에 이온 빔을 횡 방향 및 종 방향으로 주사하기 위한 장치 -> 정전기적 주사/기계적 주사/혼합형
⑥ 웨이퍼 챔버(End-Station) : 웨이퍼를 장착하는 공간이며 주입된 이온의 수를 세어 이온주입 완료를 판단 후 공정 완료 생산성 향상을 위해 디스크 형태의 준 일괄 공정도 있음
3. 이온 주입 장치 – 질량 분석기 (Mass Spectrometer Analyzer)
1) Magnetic Mass Filter를 사용, 원하는 이온만을 선택
2) Magnetic Field Perpendicular to Ion Velocity -> 플레밍의 왼손법칙
4. 이온 주입 모델링
- Rp (투사거리) -> 웨이퍼 표면에서 수직으로 이온이 이동한 거리 (최대 농도 지점)
- ΔRp (편차) -> 가우스 분포상, 투시 거리에 대한 표준편차
- Φ (도즈) -> 위에서 아래를 보았을 때 얼마나 많은 입자가 단위면적에 들어있는가? (적분) [#/cm^2]
5. 이온 주입의 문제점 및 대책
1) 채널링 문제 (Channeling)
- 이온의 속도 벡터가 결정한 방향과 평행 시 발생
- 채널링 -> 연속적 탄력적인 내부 충돌 발생
- 상당량의 이온들 -> 작은 에너지로 먼 거리를 이동 => 원치 않는 불순물 농도 프로파일
2) 채널링 문제 개선책
① 이온주입 각도 개선 -> 통상 ~7˚ 경사(tilt) + ~20˚ 비틈(twist)
② 기타 대책 -> 표면 비정질화
3) 그림자 효과(Shadowing Effect)
- 게이트 등의 구조물에 가려 이온 주입이 되지 않는 지역 발생
- 도즈를 4분할 하여 웨이퍼를 4회전 회전시켜 이온주입으로 해결
6. 어닐링
- 이온주입에 의해 발생된 결정 결함의 제거
- 주입된 불순물(도판트)의 활성화
- 급속 열적 어닐링 (>1000℃, ~usec~수sec)
18차시 CMP 공정
1. CMP(화학적 기계적 연마) 공정 정의
- 연마 대상 물질의 표면에 화학적 변화를 주어 기계적 연마 용이하게 함으로써 웨이퍼 상의 다양한 박막을 연마하여 웨이퍼 표면을 평탄화하거나 제거하는 공정
2. CMP 공정 목적
- 반도체 소자의 고집적화
① 소자 격리 기술 - LOCOS의 한계 - STI CMP
② 포토 공정 한계 극복 (DOF 여유도) - ILP(IMD) CMP
③ 다층 배선화 - Etch back 공정 한계 - Poly-Si, W CMP
- 반도체 소자의 고속화
① Cu 다마신 - Cu CMP
3. CMP 공정 장비 구조
1) 플래튼 : 전체 장비 시스템의 지지대 역할 -> 웨이퍼 캐리어와 함께 연마 시 회전
2) 연마 패드 :
- 웨이퍼의 굴곡에 대응할 수 있는 부드럽고도 단단한 재료
- 30~50um의 기공(슬러리 수용)을 가진 1~3mm 두께의 폴리우레탄 등의 다공성 고분자 재료
- 화학적 기계적인 내구성, 소수성(Hydrophilic) 특성, 점탄성(Viscoelastic) 특성 요구
3) 캐리어 : 웨이퍼가 장착되어 회전하는 장치로서 연마 시 수직으로 누르는 힘이 작용
4) 컨디셔너 : 패드의 기공에 낀 가공 잔류물 등의 제거 및 조도 회복
5) 슬러리 : 초순수, 연마용 미립자 및 화학약품으로 구성된 연마제 (금속 및 산화막 2종류)
4. CMP 공정 원리
1) Metal CMP 공정
슬러리
- 산화제 (과산화 수소, 질산철 등) -> 표면 산화 -> 강도 저하
- 산성용액 -> 슬러리 안정성 향상, 금속 식각
- 미립자 (Al2O3, MnO2, SiO2)
산화 -> 기계 연마 -> 산화막 제거 -> 식각 -> 산화 => 반복
2) Oxide CMP 공정
- 슬러리 구성 : 미립자 -> SiO2, CeO2 / 염기성 용액 / 초순수
- 염기성 수용액 -> 물 분자의 산화막 표면 침투 용이
- 침투한 물 분자의 수화작용 SiO2 -> Si(OH)4 (연마 용이)
- 실리카 입자의 OH와 산화막 표면의 OH가 결합
- 실리카 입자의 물리적 마찰 -> 산화막 표면이 제거
5. CMP 공정 변수
- 연마 속도 : 단위 시간당 제거되는 막의 두께 (압력, 상대 속도)
- 평탄도(Planarity) -> 광역적(Global) 단차 감소 정도
- 균일성(Uniformity) : WIW, WTW 등 잔류막 두께 편차
- 선택비(Selectivity) : 상이한 물질의 연마 제거 속도(R/R)의 비율
6. CMP 문제점 및 해결책
1) 긁힘 및 파티클
- 원인 : 부적당한 수직 압력, 닮은 패드 상태, 불충분한 컨디셔닝, 슬러리 찌꺼기 및 건조, 박막 접착력 등
- 대책 : 적절한 CMP 공정조건의 선택 및 CMP 후 세정
2)CMP 고유 불량
- 침식불량 (Erosion) : 저밀도 부분 과도 연마 -> 연마되지 않아야 할 정지층까지 연마 -> 과도 연마 시 제거 물질과 정지층과의 선택비가 낮을 경우에 발생 확률 높음
- 디싱 (dishing) 불량 : 넓은 패턴 R/R 증가 -> 중앙부가 푹 내려 앉는 불량 발생 -> 접시 모양과 유사 -> 과도 연마 시 제거 물질과 정지층 간 선택비가 너무 높을 때 연마 물질만 계속 연마되어 발생
- 패턴 밀도 조정 및 선택비 개선