반도체 입문 · 13강
도핑: 이온 주입과 어닐링
아주 순수한 실리콘은 전기가 거의 통하지 않는다. 칩에 필요한 것은 ‘이 작은 영역은 전기가 통하고, 바로 옆 영역은 통하지 않는’ 구조이므로, 다른 원자를 아주 조금, 정확한 위치에 정확한 깊이로 넣어야 한다.
학습 목표
- 순수한 실리콘이 왜 전기가 거의 통하지 않는지, n형과 p형이 어떻게 다른지, n과 p를 어떻게 배치해야 스위치가 평소에는 꺼져 있고 게이트에 전압을 걸 때만 켜지는지 설명할 수 있다.
- 이온 주입 장비가 원자를 어떻게 실리콘에 박아 넣는지, 에너지와 도즈가 각각 무엇을 결정하는지, 포토레지스트가 주입하지 않을 곳을 어떻게 가리는지 설명할 수 있다.
- 주입 후에 왜 어닐링이 필요한지, 잘못 주입하면 왜 되살릴 수 없는지, 왜 주입 전에 대조하고 주입 후에 면저항을 측정하는지 설명할 수 있다.
한 단계씩
- 실리콘에 인이나 붕소를 아주 조금 넣는다(도핑).
이유순수한 실리콘의 전자는 거의 밴드갭을 넘지 못해 전기가 거의 통하지 않는다. 인을 넣으면 움직일 수 있는 전자가 남고(n형), 붕소를 넣으면 빈자리가 생긴다(p형).
하지 않으면도핑하지 않으면 실리콘은 전기가 거의 통하지 않아 스위치를 만들 수 없다. 도핑하더라도 n·p·n처럼 서로 반대로 배치하지 않으면 입구와 출구가 평소에도 통해 있어 스위치를 끌 수 없다.
- 먼저 포토레지스트로 주입하지 않을 곳을 덮고, 열린 곳만 남긴다.
이유주입해야 하는 곳은 일부 작은 영역뿐이다. 포토레지스트에 맞은 이온은 포토레지스트 안에 머물러 실리콘에 들어가지 못한다.
하지 않으면이온 빔은 한 번 훑으면 웨이퍼 전체를 지나가므로, 덮지 않으면 도핑하면 안 되는 곳까지 주입된다.
- 원자를 이온으로 만들어 전기장으로 가속해 실리콘에 박아 넣는다(이온 주입).
이유박아 넣는 방식은 고온이 필요 없어 포토레지스트가 견딜 수 있고, 얼마나 많이, 얼마나 깊이 넣을지도 정확히 제어할 수 있다.
하지 않으면초기처럼 고온로에 넣어 원자가 스스로 스며들게 하면 포토레지스트가 그 온도를 견디지 못한다.
- 에너지와 도즈를 설정한다. 에너지는 깊이를, 도즈는 양을 정한다.
이유세게 가속할수록 깊이 들어가고, 단위 면적당 많이 넣을수록 그 영역은 전기가 잘 통한다.
하지 않으면에너지가 틀리면 원자가 엉뚱한 깊이에 멈추고, 도즈가 틀리면 전기가 통하는 정도가 어긋나며, 원자 종류가 틀리면 n과 p가 뒤바뀔 수 있다.
- 주입 후 웨이퍼를 한 번 가열한다(어닐링).
이유이온 하나가 들어가면서 실리콘 원자를 1,000개 넘게 밀어낼 수 있고, 주입된 원자도 대부분 엉뚱한 위치에 끼어 있어 아직 전기를 통하지 못한다.
하지 않으면가열이 부족하면 그 영역에 전기가 충분히 통하지 않고, 너무 오래 가열하면 원자가 옆으로, 깊은 곳으로 퍼져 형상이 뭉개진다.
- 장비에 넣기 전에 원자, 에너지, 도즈를 한 항목씩 대조한다.
이유잘못 주입해도 겉보기에 똑같아서, 계측을 하거나 심지어 웨이퍼 공정이 끝나고 전기를 걸어 전기적 특성(트랜지스터가 어느 정도 전압에서 켜지는지, 누설 전류가 얼마인지)을 측정해야 알 수 있는 경우가 많다.
하지 않으면주입된 원자는 골라낼 수 없으므로, 잘못 주입하면 대개 멈춰서 평가할 수밖에 없고, 쓸 수 없으면 스크랩한다.
게임 fab24hr의 화면이다. 장비, 로트 번호, 인물은 모두 허구다. 게임에서 이 장면 플레이하기 → - 정기적으로 모니터 웨이퍼(출하하지 않고 장비 점검에만 쓰는 웨이퍼)에 주입하고, 어닐링 후 면저항을 측정한다.
이유원자는 보이지 않으므로 그 층에 전기가 얼마나 잘 통하는지를 측정할 수밖에 없다. 장비가 스스로 센 숫자도 틀어질 수 있다.
하지 않으면전류를 측정하는 부분이 틀어지면 장비는 틀어진 숫자대로 멈추면서 딱 맞게 주입했다고 여긴다. 모니터 웨이퍼가 없으면 아무도 알아채지 못한다.
조정하는 것과 조심할 점
- 원자의 종류
바뀌는 것인(또는 비소)을 넣으면 n형, 붕소를 넣으면 p형이 된다.
잘못 조정하면종류를 잘못 넣으면 n형과 p형이 뒤바뀔 수 있다.
- 에너지
바뀌는 것주입 깊이를 정한다. 흔히 쓰는 깊이는 대부분 10나노미터에서 1마이크로미터 사이다.
잘못 조정하면에너지가 틀리면 원자가 엉뚱한 깊이에 멈춘다.
- 도즈
바뀌는 것1제곱센티미터에 넣는 원자 수로, 적게는 약 1,000억 개, 많게는 1경 개에 이른다. 많을수록 전기가 잘 통한다.
잘못 조정하면도즈가 틀리면 전기가 통하는 정도가 어긋나고, 스위치가 켜지는 문턱 전압과 누설 전류도 함께 틀어진다.
- 어닐링 온도와 시간
바뀌는 것흐트러진 실리콘을 다시 가지런히 되돌리고, 주입된 원자가 제자리를 잡아 전기를 통하게 한다.
잘못 조정하면가열이 부족하면 자리를 잡은 원자가 적어 전기가 충분히 통하지 않고, 너무 오래 가열하면 원자가 옆으로, 깊은 곳으로 퍼져 형상이 뭉개진다.
핵심 설명
순수한 실리콘은 전기가 거의 통하지 않고, 조금만 넣으면 n형·p형이 된다
실리콘 원자의 최외각 전자 네 개는 네 개의 손처럼 이웃 원자와 하나씩 손을 잡고 있어서, 묶인 채 움직이지 못한다. 움직이려면 먼저 턱 하나를 넘어야 하는데, 이를 밴드갭이라고 한다. 금속에는 이 턱이 없고, 유리는 턱이 아주 높으며, 실리콘은 그 중간이다. 상온에서는 실리콘 원자 수조 개에 하나꼴로만 전자가 턱을 넘으므로 순수한 실리콘은 전기가 거의 통하지 않는다. 다른 원자를 극히 적은 양만 일부러 넣는 것을 도핑이라고 한다. 최외각 전자가 다섯 개인 인을 넣으면 느슨하게 붙잡혀 쉽게 움직이는 전자가 하나 남는데, 이것이 n형이다. 세 개뿐인 붕소를 넣으면 빈자리(정공)가 하나 생기고, 옆의 전자가 하나씩 들어와 채우면서 빈자리가 움직이는 것처럼 보이는데, 이것이 p형이다.
n·p·n이 등을 맞대면 스위치는 평소에 꺼져 있다
흔한 트랜지스터 가운데 하나는 소스와 드레인이 n형이고, 그 사이 아래쪽이 p형이다. n과 p가 만나는 경계에서는 전류가 한 방향으로만 흐르고, 반대 방향으로 밀면 벽이 가로막는 것과 같다. 소스에서 드레인으로 가려면 서로 등을 맞댄 경계 두 개를 지나야 하므로, 어느 쪽으로 밀든 항상 벽 하나가 막는다. 그래서 스위치는 평소에 꺼져 있다. 게이트에 양의 전압을 걸면 절연막 너머로 전자가 p형 실리콘 표면에 끌려와, 표면의 얇은 층이 n형처럼 바뀐다. 임시 다리가 놓이는 셈이어서 전류가 지나갈 수 있다. 전압을 없애면 다리도 사라진다. 다리를 놓는 데 필요한 전압을 문턱 전압이라고 하며, 아래쪽 p형을 많이 도핑할수록 문턱 전압이 높아진다.
반대로 된 스위치도 있어서, 웰은 두 종류, 주입은 여러 번
다른 트랜지스터는 n과 p를 맞바꿔 p·n·p로 배치하며, 게이트 전압이 낮을 때 켜진다. 칩은 대부분 두 종류를 한 쌍으로 짝지어, 하나는 출력을 전원에, 다른 하나는 접지에 연결한다. 이를 CMOS라고 한다. 그래서 실리콘 한 장 위에 p형과 n형 두 가지 ‘바탕’이 있어야 하는데, 이를 웰이라고 한다. 두 종류의 웰, 문턱 전압을 조정하는 층, 두 트랜지스터 각각의 소스와 드레인은 모두 따로따로 주입한다. 위치가 바뀔 때마다 대개 포토 공정으로 포토레지스트에 새 틀을 먼저 찍어야 한다. 포토레지스트에 맞은 이온은 포토레지스트 안에 머물고, 열린 곳으로만 실리콘에 들어간다. 덮지 않으면 웨이퍼 전체가 바뀌어 버린다. 그래서 공정 흐름 하나에서 이온 주입을 10번 안팎, 많게는 그 이상 하는 경우가 흔하다.
이온 주입 장비 안: 대전시키고, 가속하고, 주입하면서 센다
붕소나 인을 포함한 기체는 먼저 이온 소스에서 전하를 띤 이온이 되어야 전기장으로 밀 수 있다. 전기장이 이온을 계속 가속해 가느다란 이온 빔으로 만들며, 이온이 공기와 부딪치지 않도록 이동 경로 전체를 진공으로 배기한다. 이온 빔은 웨이퍼 전체를 훑고 지나간다. 이온은 전하를 띠고 있어 날아오는 것 자체가 전류이므로, 장비는 전류를 측정해 시간을 곱하면 얼마나 주입했는지 알 수 있고, 충분하면 멈춘다. 에너지는 주입 깊이를 정하고, 도즈는 단위 면적당 넣는 원자 수로, 많을수록 전기가 잘 통한다. 포토레지스트로 가릴 수 있는 것은 이온 주입에 고온이 필요 없기 때문이다. 초기에는 고온로 안에서 원자가 스스로 스며들게 했는데, 포토레지스트는 그 온도를 견디지 못했다. 퍼니스 구역을 지금도 확산 구역이라고 부르는 팹이 많다.
주입 후에는 어닐링, 열은 딱 알맞게
이온이 실리콘에 뛰어들면 하나만으로도 실리콘 원자 1,000개 넘게 밀어낼 수 있어서, 주입이 끝난 층은 엉망으로 흐트러지고, 주입된 원자도 대부분 엉뚱한 위치에 끼어 있어 아직 전기를 통하지 못한다. 그래서 어닐링을 한다. 열을 가해 실리콘을 다시 가지런한 배열로 되돌리면, 원자가 실리콘 원자 자리에 들어가면서 비로소 전기가 통하기 시작한다. 그러나 열을 오래 가할수록 원자가 옆으로, 깊은 곳으로 더 퍼져 형상이 뭉개지며, 구조가 작을수록 이를 견디지 못한다. 그래서 상당수는 한 번에 한 장씩 몇 초만 가열하는 방식으로 바뀌었고, 일부는 여전히 퍼니스에서 여러 장을 한꺼번에 굽는다. 이후의 모든 가열(산화와 막 성장도 포함)이 원자를 조금씩 더 움직이게 하므로, 이 열의 총량을 열 예산이라 하며 처음부터 끝까지 계획해야 한다.
잘못 넣으면 골라낼 수 없다: 주입 전에 대조하고, 주입 후에 측정한다
주입된 원자는 다시 빼낼 수 없다. 포토 공정에서 패턴이 틀어지면 씻어 내고 다시 찍을 수 있는 것과는 다르다. 게다가 잘못 주입된 웨이퍼는 겉보기에 똑같다. 아래쪽 영역에 도핑이 많으면 문턱 전압이 높아져 스위치가 느려지고, 적으면 완전히 꺼지지 않아 누설 전류가 생긴다. 계측이나 심지어 전기적 특성 측정을 해야 발견되는 경우가 많고, 대개는 멈춰서 평가할 수밖에 없으며, 쓸 수 없으면 스크랩한다. 그래서 가장 중요한 검사는 주입 전에 한다. 원자, 에너지, 도즈를 한 항목씩 대조한다. 주입 후에는 정기적으로 모니터 웨이퍼(출하하지 않고 장비 점검에만 쓰는 웨이퍼)에 주입하고, 어닐링 후 면저항을 측정해 그 층이 얼마나 전기가 잘 통하는지 본다. 장비가 스스로 센 전류도 틀어질 수 있으므로 양쪽을 모두 봐야 한다.
흔한 오해
- 흔히 듣는 말칩을 만드는 실리콘은 순수할수록 좋고, 다른 원자가 섞이면 오염된 것이다.
- 실제로는실리콘은 실제로 먼저 아주 높은 순도로 정제해야 하며, 금속 불순물은 10억분의 1 수준까지 줄여야 한다. 그러나 순수한 실리콘은 전기가 거의 통하지 않아 스위치를 만들 수 없다. 그래서 원치 않는 것을 없앤 뒤, 필요한 원자를 일부러 아주 조금, 정해진 위치에 넣는다. 같은 외부 원자라도 차이는 그것이 필요한 원자인지, 어디에, 얼마나 넣었는지에 있다.
- 흔히 듣는 말주입한 뒤에 측정해 보고, 잘못됐으면 고치면 된다.
- 실제로는원자는 눈에 보이지 않으므로 흔히 면저항, 즉 그 층이 얼마나 전기가 잘 통하는지를 측정한다. 덜 주입하면 높게, 많이 주입하면 낮게 나오며, 먼저 어닐링해서 원자가 제자리를 잡아야 정확히 측정할 수 있다. 측정값이 틀어졌더라도 원자를 빼낼 수는 없으므로, 대개는 멈춰서 평가할 수밖에 없고 쓸 수 없으면 스크랩한다. 측정은 장비가 서서히 틀어지는 것을 잡기 위한 것이며, 실수를 실제로 막는 것은 주입 전의 대조다.
살펴보기: 분해해 보는 장비
이온 주입기필독
플레이
이온 주입 공정 엔지니어로 근무해 보기: 원자, 에너지, 도즈는 내가 맡는다 →
생각해 보기
- 잘못 주입된 웨이퍼는 겉모습이 똑같아서 한참 뒤에야 발견되는 경우가 많다. 로트를 장비에 넣기 전에 한 줄씩 대조하는 사람이 나라면, 빠뜨리지 않으려고 어떤 방법을 쓰겠는가? 누가 한 번 더 확인해 주어야 하는가?
- 어닐링은 충분히 해야 하지만 너무 오래 해서도 안 된다. ‘조금 더 하는 편이 안전하다’와 ‘너무 많이 하면 오히려 망친다’가 동시에 성립할 때, 어디서 멈출지 어떻게 정하겠는가?
수업 자료: 슬라이드
이 강의의 핵심, 모식도, 장비, 토론 질문을 슬라이드 한 벌로 만들었다. 그대로 화면에 띄워도 되고, 자신의 강의 자료에 넣어도 된다.
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