[반도체 공정] Diffusion 확산공정
- Diffusion 이란?
기데, 액체, 고체 등에서 입자 농도차에 의해 퍼지는 현상
반도체 공정에서는 웨이퍼에 특정 불순물을 주입하여 반도체 소자 형성을 위한 특정 성질을 가진 영역을 만드는 것
2. Diffusion 종류
1) Chemical source
Vaper(증기)를 이용하여 Diffsion. (Solid or Liquid source를 이용하는 Diffusion도 있다.)
최신공정으로는 Vaper에 플라즈마를 입혀서 도핑하는 경우도 있다.(이미제 센서 등)
한번에 여러개의 웨이퍼를 Batch 로 제작 가능하다.
2) Doped layer
Dopent가 풍부한 Layer를 사용하여 Diffusion을 시킨다.
3) Ion-implantation & annealing
고 에너지의 Ion을 웨이퍼에 직접 쏴서 도핑을 시킨다.
장점: 도핑 농도 조절 폭이 크다, 정밀하게 조절이 가능하다, 저온 공정이 가능하다.
단점: 실리콘 격자구조에 데미지가 생긴다 -> annealing으로 해결가능
Ion-implantation & annealing은 다음 챕터에서 더 자세하게 설명하겠다.
3. Channeling Effect
Channeling 이란 이온이 Si 웨이퍼의 빈 공간을 뚫고 쭉 통과하는 효과이다. 이로인해 원치 않는 깊이 까지 이온이 들어간다.
Channeling은 빈 공간이 적은 (111) Si가 (100)보다 적게 발생하지만 Oxidation의 퀄리티 때문에 (100)을 사용한다.
채널링을 막는 방법은 아래와 같은 방법이 있다.
(a) 웨이퍼 위에 산화막을 만들어 Ion-implantation
(b) 웨이퍼를 기울여 틸트를 준 상태로 Ion-implantation
(c) 일부로 웨이퍼 겉면에 Damage를 주어 격자 구조를 깨트린 뒤 Ion-implantation
4. Diffusion Model
1) Vacancy Mechanism
Si가 있어야할 빈 공간에 Ion이 들어옴
ex) B, P, As, Sb 등
2) Interstitial Mechanism
Si의 원자 사이로 확산.(빠른 확산)
ex) Li, Na, K
3) Interstitialcy Mechanism
Si 사이로 쭉 들어가다 Si의 자리를 밀어내고 들어감
ex) B, P
5. Solid Solubility (고체 용해도)
6. Diffusion Coefficients (확산 계수)
각 원소 별로 확산하는 속도에 따른 계수
7. Fick's Low (픽스의 법칙)
1) Fick's 1st law (픽스의 제1법칙)
확산이 일어나는 강도(확산 선속)는 두 지점 사이의 농도경사 (농도차이/거리)에 비례한다.
여기서 부호 (-)는 고농도 -> 저농도로 확산하는 방향성을 나타낸 것이다.
2) Fick's 1st law(픽스의 제2법칙)
시간에 따른 농도의 변화 = 깊이의 제곱의 농도 변화
8. Limited Source Diffusion
제한된 소스에서의 Diffusion은 가우시안 분포로 나타난다.
위의 조건으로 적분식을 만들어 풀어보면 다음과 같은 식이 나온다.
여기서 웨이퍼에서의 Diffusion은 한쪽 방향으로만 나타나므로 양옆으로 분산된 Diffusion을 합치게 되면 다음과 같은 식이 나온다.
9. Unlimited Source Diffusion
무한한 소스에 의한 Diffusion은 error function (에러 함수)로 나타내어 진다.
위 식에서 N0는 C0와 같다. 그저 자료에서 다르게 표현했을 뿐이다.
10. Junction Formation
xj : p-type 도핑농도 = n-type 실리콘 기판의 농도
Limited source
Unlimited source
