이온 주입 공정4 — Ion Implantation Physics

1) Scattering(산란) 현상

• 개념: 고에너지 이온이 Si 원자(또는 이미 주입된 이온)와 충돌하며 방향이 꺾이거나 흩어지는 현상.
• 핵심:
  • 주로 탄성 산란(Elastic) — 에너지·운동량 보존.
  • 충돌 중 2차 전자 방출(전자 들뜸/이온화), 이온 궤도 변화.
  • 반복 충돌로 에너지 소실 → 정지 깊이에 도달.

---

2) Stopping Mechanism(에너지 손실 경로)

이온이 Si 내부에서 에너지를 잃고 멈추는 과정.

• Electronic Energy Loss (Se)

• 전자 구름과의 비탄성 충돌 → 전자 들뜸/이온화.
• 주로 초기·얕은 영역에서 지배적.

• Nuclear Energy Loss (Sn)

• 원자핵과의 탄성 충돌 → 운동에너지 손실.
• 깊은 영역, 물리적 Damage 유발.

깊이 진행에 따른 전환: 표면부 Se 우세 → 더 깊어질수록 Sn 비중 증가

---

3) 에너지/깊이에 따른 거동

• 저에너지(∼10–100 keV): Sn 우세 → 격자 Damage 증가.
• 고에너지(∼0.1–1 MeV): Se 우세 → 이온화·Excitation 증가.
• Ion Mass 영향:
  • Light Ion (B, P): 얕은 침투, Damage 적음.
  • Heavy Ion (As, Sb): 깊은 침투, Damage 큼.
• High Dose: 누적 손상으로 비정질화(amorphization) 가능.

DRAM 예: Deep N-Well (31P, 1 MeV) — 깊이에서 Se→Sn 전환, 강한 격자 손상/결정 파괴 유발.

---

4) Projected Range 프로파일

• Rp (Projected Range): 이온이 평균적으로 멈추는 깊이.
• ΔRp (Straggle): 깊이 분포의 폭(σ) — 보통 가우시안 형태.
• 분포 특성: 이상적 비정질에서는 대칭, 실제 단결정에서는 채널링/산란 영향으로 약간 비대칭.
• 영향 인자: 이온 에너지, 질량, 입사각(Tilt/Twist).

---

5) Channeling Effect(채널링)

• 개념: 다이아몬드 구조의 Si에서 결정 축/면 방향의 빈 채널을 따라 깊게 관통하는 현상.
• 문제: 일부 이온 과심입 → 프로파일 불균일, Rp/ΔRp 증가, Vt 변동·Leakage.
• 억제 방법:
  • Tilt ≈ 7–10°, Twist ≈ 20–25°로 결정 방향에서 벗어나게 주입.
  • PAI(Pre-Amorphization Implant): Ge/Si/Xe 등으로 표면을 비정질화 후 도핑.
  • 희생막(Sacrificial Layer): 입사 전 산란 유도로 채널 경로 교란.

---

6) Shadow Effect(그림자 효과)

• 개념: 3D 구조에서 Tilt 주입 시 PR/Gate 등의 돌출이 이온을 가림 → Under/Over Implant 발생.
• 영향: 도핑 불균일, Vt 변화, Junction Leakage 증가.
• 완화: Tilt 최적화, Multi-Angle Implant, Wafer Rotation으로 방향 평균화.

---

7) Damage Engineering

• 정의: 주입 중 발생하는 결정 결함/비정질층을 제어·활용하는 기술.
• 발생 원리: Se/Sn로 결합 파괴 → Rp 근처 손상 최대, 비정질층 형성.
• Dose 의존성:
  • 임계 전까지 점진적 증가 → 임계 도달 시 급격한 비정질화 → 이후 포화.
• Dopant/Mass 영향: 질량↑ → 충돌 횟수↑ → Damage↑.
• 제어법:
  • PAI(무거운 이온으로 사전 비정질화 → 균일 도핑/과손상 억제).
  • RTA(빠른 고온 열처리)로 결함 치유·재결정화.
  • Dose/에너지 최적화, 가벼운 도펀트 선택.

---

8) Annealing(활성화 열처리)

• 목적: 결함 치유(Damage Recovery) + Dopant Activation(채움형 Substitutional 자리) + Re-crystallization.
• 온도 의존: (예: 150 keV B)
  • Low Dose: 온도↑ → Activation↑.
  • High Dose: 500–800 °C에서 Dislocation Loop 등 2차 결함으로 De-activation 구간 발생.

• Furnace vs RTA

항목	Furnace (배치)	RTA (급속 열처리)
Ramp	2–20 °C/min	수백 °C/s 수준
Soak	~30 min	수초(초단)
확산/TED	큼(문제)	작음(억제)
특성	Activation 되나 프로파일 붕괴/측방 확산	Activation↑, 정밀도↑

• TED(Transient Enhanced Diffusion): 주입 손상 유발 Interstitial가 확산을 일시 가속 → RTA로 억제.

---

9) Post-Implant Monitoring(공정 모니터링)

방법	측정 대상/의미	장단점
SIMS	농도 vs 깊이(정량 프로파일)	고해상·정밀 / 파괴형, 활성화 정보 없음
SRP	활성화된 캐리어 농도 vs 깊이	전기적 활성 확인 / 준비 복잡, 일부 손상
4-Point Probe (Rs)	면저항(Activation 간접 평가)	빠르고 비파괴 / 깊이 정보 없음
X-section TEM	결함, 비정질층 두께, 재결정화	원자해상 구조 파악 / 시편 준비 난이도·비용↑
Therma-Wave(OTR)	결정·결합 상태(비접촉 인라인)	비파괴·고속 / 정밀 정량엔 보조 지표로 활용

In-situ Dose는 Faraday Cup으로 계수, 이후 위 방법들로 농도/활성/손상을 종합 평가.

---

핵심 요약

• Se→Sn 전환으로 얕은/깊은 영역의 물리 현상이 달라지며, Rp/ΔRp로 도핑 분포를 정의한다.
• 채널링/그림자는 미세공정 불균일의 주요 원인 → Tilt/Twist, PAI, 다각 주입·회전으로 억제.
• Damage Engineering + RTA로 Activation 극대화와 TED 억제를 동시에 달성.
• SIMS·SRP·Rs·TEM·Therma-Wave를 조합해 농도/활성/결함을 다각도로 모니터링한다.