[반도체공정 feat.jaeger] 확산(Diffusion) Chapter 4.10 - 실리콘에서의 불순물 재료

반도체 8대 공정 순서

1. 실리콘 웨이퍼 제조 공정
2. 산화공정(Oxidation)
3. 포토공정(Photo)
4. 식각공정(Etching)
5. 증착공정(Deposition)
     - 확산(Deposition)
     - 이온주입(Ion implantation) 
6. 금속배선공정(Metalliztion)
7. EDS 공정(Electrical Die Sorting)
8. 패키지공정(Package)

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지금까지 확산이론과 종류, 확산의 정도와 깊이에 대해 다뤘습니다.

이제는 실리콘 기판에 사용되는 불순물 재료들을 이야기하겠습니다.

 

이 불순물 재료는 고체, 액체, 기체 등으로 분류가 가능합니다.

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추가적으로 아래 13~15족 원소들이 반도체에서 자주 이용되는 원소들입니다.

옥텟 규칙(Octet Rule)에 의하면 가장 안정화된 원자의 최외각 전자의 수는 8개입니다.

 

실리콘은 14족, 즉 4개입니다.

 

따라서 Si surface에 n-type 도핑을 원한다면 15족, p-type의 도핑을 원한다면 13족을 이용해야 합니다.

주기율표의 족별 dopant(도펀트)

 

4.10 Diffusion system(확산 시스템)

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● 고체 불순물 재료

→ B2O3, P2O5, Sb2O3와 같은 불순물 재료를 이용합니다.

 

운반 가스(N2, O2)가 각 튜브로 source boat로 흐릅니다.

 

운반되는 gas가 source boat 위로 제어된 속도로 흐르게 되고,

carriar가 이 소스로부터의 증기를 흡수하여 이 dopant를 웨이퍼 표면에 증착하게 합니다.

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figure 4.25 (a) 고체 소스 시스템

 

(1) 4.10.1 Boron diffusion(보론(B) 확산)

 

 

 

위 화학식에 의하면 실리콘 기판 표면에는 B(boron)가 많이 함유된 SiO2가 형성됩니다.

이를 borosilicate glass (BSG)라고 부릅니다.

 

보론은 13족 원소이므로 p-type dopant입니다.

figure 4.6

 

 

붕소는 실리콘에 대한 용해도가 높습니다.

또한 오른쪽 그림 4.6을 참고하면 보면 붕소는 최대 4*10^20 /㎤의 고용도 달성이 가능합니다.

 

붕소는 실리콘 녹는점 넘어 초과해도 비활성 상태입니다.

 

그러나 과도한 삼산화붕소는 대부분의 산으로도 제거가 매우 어려운 붕소 껍질을 형성할 수 있습니다.

 

따라서 3~10%의 산소를 포함한 대기에서 산화를 시키면 붕소 껍질 형성을 최소화할 수 있습니다.

 

또한 붕소의 선확산 후 형성된 붕소 껍질 제거를 돕기 위한 짧은 습식 산화단계가 추가적으로 이어집니다.

 

 

(2) 4.10.2 Phosphorus Diffusion(포스포러스(P) 확산)

 

 

 

실리콘 기판에 P(phosphorus)가 많이 함유된 SiO2가 형성됩니다.

이를 phosphosilicateglass (PSG)라고 부릅니다.

 

포스포러스는 15족 원소이므로 n-type dopant입니다.

 

인은 붕소보다 실리콘에 대한 융해도가 더 높습니다.

고온 확산 중에 10^21 /㎤ 범위의 고용도를 달성할 수 있습니다.

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표면의 BSG, PSG로부터 B와 P가 Si 내 부로 확산됩니다.

 

PSG와 BSG는 P와 B의 함유량에 따라 유화온도 (softening temperature)가 낮아지게 됩니다.

PSG와 BSG는 높지 않은 온도에서 유연한 성질을 갖기 때문에, 확산원 이외에도 평탄화작업, passivation 공정 등 여러 가지 공정에 이용됩니다.

 

● 액체 불순물 재료

→ POCl3, BBr3와 같은 불순물 재료를 이용합니다.

 

액체 불순물 재료 시스템 또한  bubbler 방식과, spin-on 방식으로 나뉩니다.

• bubbler 방식은 bubbler에 POCl3(p형), BBr3(n형)의 용액을 담고 carrier gas을 흘려 증기가 같이 반응관으로 이송되게 하여 반응을 일으킵니다.
• spin-on 방식은 spin coater를 이용하여 불순물 물질 용액막을 형성한 후 200 ℃ 에서 soft bake을 하여 유기 용제를 휘발시켜 단단한 막을 표면에 형성하고 열처리에 의하여 확산을 시킵니다.

soft bake : 낮은 온도에서 20~30분 정도 오븐에 굽는 공정

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figure 4.25 (b) 액체 소스 시스템

 

 

 

*위 포클 3(POCl3)은 독의 왕이라고 불리는 분자입니다. 극극소량만으로도 사람을 바로 사망에 이르게 만듭니다.

 

 

 

위 두 반응으로 인해 

가 형성되고 기판 표면의 Si와 반응하여 BSG, PSG가 형성되면서 확산하게 됩니다.

 

 

● 기체 불순물 재료

→ PH3(phosphine), B2 H6(diborane)와 같은 불순물 재료를 이용합니다.

 

산소를 이송기체로 하여 PH3, B2H6 기체를 반응관으로 이동시킵니다.

 

 

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figure 4.25 (c) 기체 소스 시스템

 

 

 

 

 

위 두 반응으로 인해 

가 형성되고 기판 표면의 Si와 반응하여 BSG, PSG가 형성되면서 확산하게 됩니다.

 

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여전히 책의 많은 내용이 생략된 상태입니다. 최대한 간단한 부분만 다뤄봤습니다.

자세한 것은 아래 책을 참고해 주시길 바랍니다.

 

다음 포스팅은 4.4 확산시스템에 대한 것으로서 Chapter 4의 마지막입니다.

 

긴 글 읽어주셔서 감사합니다.

 

introduction to microelectronic fabrication (Vol 5)

For courses in Theory and Fabrication of Integrated Circuits.The author's goal in writing this text was to present a concise survey of the most up-to-date techniques in the field. It is devoted exclusively to processing, and is highlighted by careful explanations, clear, simple language, and numerous fully-solved example problems. This work assumes a minimal knowledge of integrated circuits and of terminal behavior of electronic components such as resistors, diodes, and MOS and bipolar transistors.

저자

jaeger

출판

피어슨 에듀케이션

출판일

2013.08.30