diffusion공정과 원리, 그리고 한계점. feat. implantation

반도체는 다양한 공정을 진행하고 각각의 장단점들을 이용하여 생산에 기여한다. 오늘은 그중에서도 Diffusion공정을 소개한다.

 

먼저 확산(Diffusion) 공정이란 웨이퍼에 특정 불순물을 주입하여 반도체 소자 형성을 위한 특정 영역을 만드는 것입니다. etch 공정을 거친 패턴의 특정 부분에 이온 형태의 불순물을 주입하여 전자 소자의 영역을 만들어 주고, Gas간 화학 반응을 통해 형성된 물질을 웨이퍼 표면에 증착함으로써 여러가지 막을 형성하는 공정을 말합니다.

 

사실 여기까지는 일반적인 다른 Implantation 공정과 큰 차이점이 없는듯 보이는데 여기서 중요한건 불순물을 어떻게 주입하는지에 대한 개념입니다.

 

간단한 확산의 느낌

먼저 확산에 대해 알아보면 확산은 주입하려고 하는 물체를 주입당할 물체에 근접시키는것으로 시작한다. 여기서 확산은 치환형과 침입형으로 나뉘는데 치환형은 말 그대로 주입당하는 물체의 격자구조에 있는 Vacancy에 들어가게 되며 기존의 자리를 바꿔들어가는 것이므로 치환형이라 말하고 

 

침입형은 Vacancy가 아닌 격자와 격자사이의 틈으로 비집고 들어가 존재하게 되는것, 여기서 상식적으로 격자와 격자사이 공간보다 큰 물체(여기서는 원자)의 침입은 격자를 파괴하는 경우가 되므로 격자 공간보다 작은 물체가 들어가게 되는게 일반적이다. 

 

이것도 간단한 확산의 두 종류 느낌

어떤것이던 이 두개의 확산으로 진행된 물체는 기존의 물성과는 다른 물성을 띄게 되며 이를 예측하여 확산공정을 진행하는것이다. 그리고 이러한 확산의 발생은 농도차에의한 물질의 안정성 추구로 발생하게 된다.

 

하지만 대부분 이 확산공정은 거의 사용되지 않는데 그 이유는 다음의 그림과 같다.

 

조금 과장된 그림이지만 확산은 등방성(ISOTROPIC) 이온주입은 비등방성(ANISOTROPIC)형태를 지닌다

확산의 문제점은 위 그림처럼 등방성을 가지기 때문에 나타난다. 가뜩이나 얇은 반도체를 만들어야하는데 옆으로도 확산되어 나가니 제어가 어렵다. 또한 시간과 온도를 조절한다 해도 명확한 두께를 가지기 어려우며 dopant의 양도 조절하기 어렵다. 따라서 전압으로 일정 깊이에 넣을 수 있는 비등방성을 지닌 이온주입 공정을 주로 사용하게되었다.

 

오늘도 여기까지 간단히 공부해봤습니다. 질문은 언제나 환영합니다. 틀린것을 지적해주시는것은 항상 감사하구요!