제5장 Ion Implantation

Issues

1. 고가의 이온 주입 장치가 필요한 이유

2. 주입된 이온의 양과 profile을 정확히 예측할 수 있는 방법

3. 이온주입에 따른 문제점과 개선방법

Key words

1. LSS Theory

2. Nuclear Stopping

3. Electronic Stopping

4. Channeling

5. Tailing

6. Electrical Activation

7. Crystal damage and healing

8. Critical Energy

9. Projected range and Transverse range

Theory

1. LSS Theory

Technology

1. 이온 주입은 dopant 주입량을 정확히 control 할 수 있으므로 대단위 집적을 가능하게 한 핵심 공정 중 하나이다.

2. 전형적으로 energy는 10 ~ 400 KeV, dose는 [eqn: 10^11]/[eqn: cm^2] ~ [eqn: 10^16 /cm^2] 이다.

3. [eqn: R_P] 는 5000[eqn: ANGSTROM] 이하로 하며 uniformity는 [eqn: +-]3% 정도이다.

4. Sequential implant 와 multiple energy implant 에 의해 여러 형태의 불순물 profile의 형성이 가능하다.

5. Channeling, tailing 등은 최소화할 수는 있으나 피할 수는 없다.

references :1. Ion Implatation in Semiconductors, J.W. Mayer, etal, Academic Press, N.Y. 1970

2. Ion Implantation in Semiconductors I. J.F. Gibbons, Proc. IEEE, Vol. 56, No 3, March 1968

3. Ion Implantation in Semiconductors II, J.F. Gibbons, Proc. IEEE, Vol. 60, No.9, Sept.1972

4. Ion Implatation in Silicon-Physics, Processing and Microelectronic Devices. Applied Solid State Science , Vol. 5, Academic Press, 1975, K.A. Pickor

장점 : 1. dose, depth profile , 그리고 doping area 등에 대한 정확한

통제 가능

2. 반복성이 뛰어남.

3. 다양한 마스크 재료를 사용할 수 있음.

4. 저온 공정

5. 측면확산이 매우 작음 (self aligned process 가능)

6. 고 진공에서 진행되므로 청정효과

단점 :  1. 장치가 비싸며 복잡함.

2. 확산시 표면에 산화막이 생기지 않으므로 별도의 passivation             공정이 필요함.

전형적 operation conditions

1. B, P, As, 그리고 Sb 등의 dopants

2. Dose : [eqn: 10^11 /cm^2 - 10^16 /cm^2]

3. Energy : 10 KeV - 400 KeV

4. Depth of Implant : typically 1,000 Å - 5,000 Å

5. Reproducibility and uniformity : [eqn: +-]3 %

6. Temperature : normally room temperature

7. 주입량의 통제 : 50 [eqn: mu A] current /3 inch wafer ->[eqn: 6 times 10^12] atoms/[eqn: cm^2] sec

보통 확산에 의해 도펀트를 주입하는 경우, predep 공정으로 주입량을 통제한다. 즉,

[eqn: Q = 2 over sqrt{pi} sqrt{Dt}~N_s]

예 : 30 분, @ 1,000 도, Boron

[eqn: D cong 3 times 10^-14 cm^2 /sec]

[eqn: N_s cong 4 times 10^20 /cm^3]

따라서 [eqn: Q cong 3.3 times 10^15 /cm^2]

여기서 알 수 있듯이 만약 dose의 양을 [eqn: 10^14 /cm^2]로 하려면 30 분보다 짧은 시간동안 열처리하여야 하는데 확산로에서 이같은 짧은 시간의 통제는 불가능하다. 따라서 이경우 이온주입이 방식을 이용해야한다.

Applications :

1. biploar 에서의 base region : precise Q control

2. high value resistors

3. MOS [eqn: V_T] shifting

4. P-well in CMOS devices

5-1 Simple Range Theory (LSS theory)

Linhard, Scharff, and Schiott 에 의해 개발된 이론

R : total range

[eqn: R_P] : projected range

[eqn: R_T] : transverse range

일정 에너지를 가지고 주입된 이온이 실리콘 내에서 에너지를 잃고 결국 정지하게 되는데 이때 에너지를 잃게하는 요소는 트게 다음의 두가지이다.

1. 전하를 가지고 있는 이온이 고체내의 자유전자 또는 bound 되어있는 전자들과의 coulombic force에 의한 interaction으로 에너지를 잃게 되는 것

2. 고체 기판 원자들과의 물리적 충돌로 에너지를 잃게 되는 것

[eqn: - dE over dx = N~ left[ S_n`` (E`) + S_e ``(E`) right]]

여기서 [eqn: - dE over dx] 는 거리 R 에 따른 평균 에너지 상실율 ( eV /cm)

E = energy of ion at the pint r along R (eV)

[eqn: S_n] (E) = nuclear stopping power (eV [eqn: cm^2] )

[eqn: S_e] (E) = electronic stopping power (eV [eqn: cm^2] )

N = target atom density = 5 [eqn: times] [eqn: 10^22] /[eqn: cm^3] for Si

Then,

[eqn: R = INT _{ 0}^{ R} dx = 1 over N INT _{ 0}^{E_o } dE over {left[ S_n (E) + S_e (E) right]}]

Note that R will be the average total range and we should expect a distribution of R, [eqn: R_P] , and [eqn: R_T]

useful approximations

[eqn: S_n^o = 2.8times 10^-15 {Z_1 Z_2}over {Z^1/3} M_1 over {M_1 + M_2}] eV/[eqn: cm^2]

[eqn: S_n^o] = nuclear stopping power [eqn: !=] f(E)

[eqn: Z_1] = ion atomic number

[eqn: M_1] = ion atomic mass

[eqn: Z_2] = substrate atomic number ( 14 for Si)

[eqn: M_2] = substrate atomic mass (28 for Si)

[eqn: Z^1/3~ ==~ sqrt { Z_1^2/3 + Z_2^2/3 }]

[eqn: S_e] (E) = Cv + [eqn: sqrt {kE}]

v= velocity of ion

E = energy of ion

C, k = constants ( k 는 ion 및 substrate 에 따른 상수임)

[eqn: k ~= ~Z_1^1/6~ { 0.0793 ~Z_1^1/2~ Z_2^1/2~ (M_1 + M_2 )^2/3} over {(Z_1^2/3~ +~ Z_2^2/3` )^3/4~ M_1^3/2~ M_2^1/2 } C_R over sqrt{C_E}]

where, [eqn: C_R ~==~ { 4 pi a^2 M_1 ~M_2} over {(M_1 + M_2 )^2 } , ~~C_E ~==~ { 4 pi epsilon_o~ a~ M_2} over {Z_1~ Z_2 ~q^2~ (M_1 + M_2 ) }]

a = Bohr radius = [eqn: 0.529 times 10^-8] cm

[eqn: M_1 , Z_1] = atomic weight and atomic number of ion

[eqn: M_2 , Z_2] = atomic weight and atomic number of the substrate

amorphous Si substrate의 경우 k 값은 ion에 무관하며,

[eqn: k ~cong~ 0.2 times 10^-15 ~(eV)^1/2 cm^2]

[eqn: S_n^o] 은 주입되는 이온의 에너지와는 무관하며 [eqn: S_e] 는 에너지에 따라 증가하므로 [eqn: S_n^o] 와 [eqn: S_e] 가 같게되는 critical energy [eqn: E_C] 는 윗식 으로부터,

[eqn: sqrt{E_C}] = [eqn: S_n^o over k] 이며

[eqn: sqrt{E_C}~ = ~14`` { 14`` Z_1} over {left[ (14)^2/3 + (Z_1 )^2/3`` right]^1/2 } cdot M_1 over {M_1 + 28}]

for amorphous silicon substrate

[eqn: E_C ~~cong] 10 KeV for boron (Z = 5, M = 10)

[eqn: cong] 200 KeV for P ( Z = 15, M = 30)

[eqn: E_C] > 500 KeV for As, Sb

boron은 electronic interaction에 의해 stop 되지만 P, As, Sb  등은 nuclear collision에 의해 stop 된다.

만약 E [eqn: << E_C] 라면 [eqn: dE over dx cong N S_n^o] 이 되므로,

[eqn: R ~cong~ (0.7 ANGSTROM )`` Z^1/3 over {Z_1 Z_2}`` {M_1 + M_2} over M_1`` E_o] 이며 As, Sb 의 경우 그리고 대부분의 P 공정에 유용하다.

If [eqn: E>>E_C]  then

[eqn: dE over dx cong Nk][eqn: E^1/2]

[eqn: therefore ~~R ~cong~ 20 sqrt E_o ~ ANGSTROM]  (it is useful for Boron)

note that R is the total range, not [eqn: R_P]

In general case when the above limiting cases do not apply,

R = [eqn: 1 over N] [eqn: INT _{ 0}^{E_o } dE over {left[ S_n^o + k E^1/2 right]}]

where [eqn: S_n^o] is constant.

Projected Range

The equations shown up to now have been in terms of R, the total range. What we really want is [eqn: R_P] , the projected range.

[eqn: R over R_P] [eqn: cong] 1 + b [eqn: M_2 over M_1]

[eqn: b cong 1/3] for nuclear stopping and [eqn: M_1 > M_2] i.e., for Sb and As

b smaller for electronic stopping (B,P) but 1/3 is still OK for first order

EX: As [eqn: M_1] = 75   [eqn: therefore] [eqn: R over R_P cong] 1.12

5-2 Channeling

5-3 Tailing

5-4 Damage

Note : 이 data 들은 섭씨 350도에서 이온주입된 것이며 상온에서 주입한 경우는 이 data 보다 좀 더 왼쪽으로 이동된다.

electrically active defects compensate carriers.

Note : 1. Lower dose implants have higher substitutional % to begin with

2. T cong [eqn: 800^o] C needed for "full" electrical activity

3. Reverse annealing may actually occur between    [eqn: 200 - 400^o] C for Boron

일반적으로,

1. 만약 이온주입으로 인해 비정질 상태가 초래되었다면 600도에서 30분 정도의 열처리로 충분히 높은 전기적 특성을 얻을 수 있다.

2. 적은 도핑 양으로 인해 비정질까지 가지 않은 경우에는 600도에서 30분의 열처리로 50-70% 활성화를 얻을 수 있으며 연이은 900도에서의 30분 열처리로 90%가 회복된다.  900 도에서 950도 사이에서 30분간의 열처리가 전형적이며 이정도의 열처리는 Dt의 차원에서도 별것아니며 이미 만들어진 junction은 이정도의 열처리로 변화되지 않는다.

따라서 이온 주입후 결정성 회복을 위한 열처리는 대개 900 - 950 도 사이에서 약 30분간 행하며 이때 발생하는 소위 Dt 는 매우 작아서 이미 만들어진 device junction에 영향을 주지 않는다.

Device Applications

- active base region under E implanted for excellent dose or Q control

- External base normally diffused to provide good ohmic contact and high surface concentration

95 % of distribution has [eqn: h_FE] = [eqn: 114 +-3]

MOS [eqn: V_T] shifting

[eqn: N_A] term [eqn: cong] 0 and [eqn: therefore] implant term dominates.

[eqn: Therefore] very precise control of [eqn: V_T] [eqn: cong] independent of substrate [eqn: N_A]

Core Findings

1. 원자를 이온화시킨 후 자기장으로 가속시키면 물리적 충돌에 의해 dopant를 실리콘에 주입시킬 수 있다. 이때 주입된 이온의 정확한 profile을 구할 수 있는 데 이때 사용되는 이론이 바로 LSS Theory이다.

2. 물리적 충돌은 결정학적 손상을 유발하나 열처리에 의해 회복이 가능하다.

3. 정확한 dose의 통제를 위해서는 이온 주입이 반드시 필요하며 따라서 높은 저항이 필요한 부분의 dopant 주입은 이온주입에 의한다.

4. 이온주입의 에너지는 접합의 깊이에 따라 조절한다.

5. 이온 주입의 경우 확산의 경우보다 마스크 선택의 폭이 넓고 공정이 간단하므로 근대의 고집적 회로구성에서는 반드시 필요한 공정이다.

6. 이온주입은 측면확산이 거의 없는 self aligned process 이므로 미세소자의 구성에 유리하다.