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[반도체 특강] 확산 방식을 이용한 소스와 드레인 단자 만들기

TECH/반도체 Story

 

 

반도체는 순수물질인 실리콘과 순수물질이 아닌 물질(불순물)을 지그재그로 층을 배치해 만듭니다. 이렇게 만들어진 트랜지스터는 4개 단자(기판에 해당하는 Well을 만드는 경우까지 포함할 경우) 모두 불순물을 도핑하여 형성합니다. 절연체에 가까운 상태인 순수실리콘만으로는 아무 기능을 하지 못하는 그저 뻣뻣한 나무토막에 지나지 않는데, 이 속에 외부에서 불순물을 불어넣어 소자가 다양한 동작을 할 수 있도록 한 것이 도핑입니다. 도핑 방법은 여러 가지가 있지만, 이번 시간에는 4개 단자 중 쌍둥이 단자인 소스와 드레인 단자를 만드는 데 있어 초창기에 적용했던 ‘확산 방식’에 대해 알아보도록 하겠습니다.

 
 
  

도핑, 소스/드레인 단자를 만드는 핵심 방식

 

 

 <그림1> 소스/드레인 단자를 형성하는 도핑 방식 : 확산, 이온 임플란테이션, 플라즈마 도핑

 

 

반도체 단자(터미널)들이 제대로 작동하려면 단자의 접합면이 화학적 결합으로 이뤄져 있어야 합니다. 이를 위해 반도체 제조공정에서는 불순물을 형성하는 방법으로 대부분 도핑 방식을 이용합니다. 도핑은 모집단(모체)에 일부 다른 이물질이 들어가서 화학적 결합을 하여 계면(Junction)을 형성하는 방식인데요. 반도체에서는 도핑을 하는 수단으로 확산과 이온-임플란테이션 및 플라즈마 방식을 적용합니다. 트랜지스터(Transistor, TR)를 만드는 방식은 집적도에 따라 급속한 변천을 이뤄 왔고, 이와 더불어 소스와 드레인 단자를 형성하는 공정 또한 발전했는데요. 초창기에는 확산 방식을 적용하다가 정확도가 좀 더 뛰어난 이온-임플란테이션을 사용했고, 그 후 이온-임플란테이션의 결정격자가 파괴되는 단점을 극복하기 위해 플라즈마를 이용하고 있습니다. 하지만 플라즈마 도핑 역시 단점을 가지고 있어 향후에는 이를 개선하는 방향으로 한층 더 업그레이드된 공정방법이 나오길 기대하고 있습니다.

 

 

 

소스 단자와 드레인 단자의 조건



<그림2> TR의 ON/OFF를 결정하는데 있어서 소스 단자와 드레인 단자가 갖추어야 할 조건 및 영향을 끼치는 변수 @도핑 시

 

 

소스와 드레인 단자(터미널)의 불순물 타입 형성은 채널 타입과는 동일하게 가되, 기판 타입과는 반대로 되어야 합니다. 이 두 단자 내에 도핑 되어 있는 불순물(3족 혹은 5족)은 되도록 균질(Uniform)하게 분포되어 있어야 트랜지스터의 ON/OFF를 판가름할 핵심 요소인 드레인 전류와 문턱전압을 정확하게 계산할 수 있습니다. 불균질한 상태가 심하면 소스에서 드레인으로 흐르는 실제 전자의 개수가 계산 된 값과 다르게 되기 때문에 트랜지스터가 동작하는데 있어서 ON/OFF가 바뀔 수 있습니다. 오동작은 여러 원인이 있을 수 있는데요. 도핑 측면에서 보았을 때 가장 큰 변수 중 하나는 농도 때문이기도 하고, 소스나 드레인의 구조 혹은 체적이 사전에 기준을 설정한 대로 형성되지 않기 때문이기도 합니다.

 

 

 

확산 차단용 마스킹

 

 

<그림3> 마스킹(Blocking) 기능을 하는 절연막 설치

 

 

TR의 집적도가 낮을 때(소스와 드레인 사이의 거리가 충분할 때)에는 확산방식을 이용해 소스와 드레인 단자를 형성했는데요. 먼저 절연막으로 마스크 역할을 할 수 있도록 산화막 형성→포토 공정(PR코팅>마스킹>노광>현상)→식각→세정 과정을 진행해 차단영역과 노출영역을 만듭니다. 확산을 하지 않을 불필요한 영역은 마스크로 막아놓고(Blocking) 필요한 곳 일부만 open시켜 놓습니다. 이때 사용되는 마스크로는 포토 공정 시의 레티클(마스크)를 사용하는 것이 아닌, 절연막으로 마스크 기능을 대신 합니다. 마스킹 하는 막은 절연막뿐 아니라 질화막, 혹은 포토 레지스터를 사용할 수도 있습니다. 그러나 포토레지스터를 이루고 있는 폴리머라는 물질은 열에 약하기 때문에 섭씨 약 1,000도 되는 산화 공정에는 사용하지 못하고, 상온(섭씨 25도)이나 그 보다 낮은 온도의 환경(이온-임플란테이션 등)에서 사용 합니다.

 

 

 

확산용 도펀트 코팅

 

 

<그림4> 확산용 도펀트를 웨이퍼 전체 표면에 코팅

 

 

확산은 가스를 이용한 확산과 고체 타입의 확산이 있습니다. 가스 타입은 정확도가 떨어지고 확산되는 불순물 밀도도 낮아 고체 타입으로 발전되었는데요. 수직 확산로(수평로furnace도 가능함)에 웨이퍼를 넣고 도펀트 가스를 이용해 도펀트막을 코팅합니다. 확산로에 들어간 웨이퍼들은 차곡히 보트에 쌓이고, 도펀트(3족 혹은 5족 불순물) 가스는 유량 조절기로 확산로에 들어가는 양을 조절합니다. 가스는 확산로 위에서 공급하여 아래로 향해 가며, 쌓여 있는 웨이퍼 사이를 흐르게 됩니다. 이때 최상부 웨이퍼는 다른 웨이퍼들과 노출된 분위기가 많이 다르므로 더미(Dummy) 웨이퍼로 사용되다가 나중에 폐기 처리 됩니다. 

 

 

 

_ 불특정(Random) 운동하는 도펀트 입자들

 

 

<그림5> 확산로 안에서 공급되는 확산에너지로 불특정운동하는 도펀트 @소스 혹은 드레인 단자를 형성하는 과정

 

 

도펀트는 섭씨 900도~1,100도 정도의 높은 열을 가한 확산로에서 확산에너지를 얻으며, 확산운동은 불특정 랜덤운동을 합니다. 웨이퍼 표면 위에 코팅된 도펀트 입자는 일정 온도 이상의 열을 받으면 웨이퍼의 내부로 진입합니다. 확산 운동은 2가지 스텝으로 진행되는데요. 첫 단계는 증착확산(Pre Deposition)으로 표면 가까이로만 확산됩니다. 표면 근방의 농도는 높고 깊이 들어 갈수록 농도가 약해지겠지요. 계속 열에너지를 공급하면 내부로 확산(Drive in 확산)이 활발하게 발생하면서 어느 정도 깊은 위치까지 불순물 농도가 전달됩니다. 이렇게 해서 소스 혹은 드레인 단자가 완성(농도와 형태)되고 TR의 전기적 특성을 결정짓습니다.

  

 

 

확산 방식의 문제점

 

 

<그림6> 랜덤확산운동으로 게이트와 겹치는(Overlapping) 소스/드레인 영역 발생

@이 그림은 앞의 <그림5>에서 도펀트 코팅층과 마스크층을 제거한 상태

 

 

정리하자면, 확산은 높은 열에너지를 얻은 불순물 입자가 웨이퍼 표면에서 내부로 진입한 후, 계획된 깊이까지 진행하는 공정입니다. (물론 확산의 일종인 산화공정은 이와 약간 다르며, 본 장에서는 소스와 드레인 단자를 형성하는 경우에 한하여 설명됩니다) 그런데 확산 방식은 높은 온도의 확산로 안에 웨이퍼를 집어넣고 농도 차이를 이용하여 소스/드레인 단자를 형성하기 때문에 입체적 부피를 구현하는 데 어려움이 있었습니다. 확산 공정 시는 불순물 입자가 불규칙적으로 움직이기 때문에 아래 쪽 수직 방향뿐 아니라, 옆쪽 수평축으로도 확산되는데요. 이렇게 되면 소스/드레인 단자가 게이트 단자 밑에까지 펴져서 형성(Overlapping)되기 때문입니다.


그러나 이렇게 수평축 방향으로 넓게 퍼지는 문제는 테크놀로지가 낮을 경우, 소스/드레인의 체적 오차가 약간 발생되어도 소스와 드레인 사이의 거리(채널길이)가 충분히 떨어져 있기 때문에 TR이 오동작 되지는 않습니다. 그래서 저용량의 메모리 디바이스까지는 확산방식으로 소스/드레인 단자가 가능하게 되었던 것이죠. 

 

 

TR의 물리적 부피가 기하급수적으로 줄어들면서 소스/드레인의 체적 오차가 곧바로 드레인 전류와 문턱전압의 mis-match로 연결되었습니다. 때문에 소스/드레인의 체적을 계획된 기준 대비 정밀한 구조로 만드는 것이 보다 더 중요해졌습니다. 따라서 확산방식 보다는 이온을 웨이퍼에 임플란팅 하는 방식이나 플라즈마 도핑방식을 적용하여 TR의 소스/드레인 단자를 구성하면 사전에 계산된 농도와 부피가 비교적 정확하게 구현됩니다. 그러므로 소스/드레인을 형성하는 데 사용되었던 확산 방식은 최근에는 정밀도가 높지 않아도 되는 Well(N타입, P타입)이나 혹은 웨이퍼 전체 표면에 새로운 층을 형성하는 위주로 적용하고 있습니다. 다음 장에서는 이온-임플란테이션과 플라즈마를 도입한 도핑을 살펴보도록 하겠습니다. 



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  • DDDA 2018.06.26 22:36 신고 ADDR 수정/삭제 답글

    잘 읽고 갑니다. 다음 장은 언제 나올까요 ? ?



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