Chapter 15

결함과 이슈

도핑 공정은 대부분의 경우 조용히 잘 돈다. 그래서 어긋날 때가 더 위험하다. 이온 주입은 결과가 눈에 보이지 않으므로, 잘못 들어간 원자는 전기 테스트에서야 드러나고 그때는 이미 수백 장이 지나간 뒤다. 이 장은 도핑이 어긋나는 대표적인 방식들을 원인, 흔적, 그것을 잡는 측정의 순서로 정리한다. 도핑 불량이 수율 맵과 고장 분석에서 어떻게 보이는지는 YieldBook과 FailureBook이 다룬다.

감속 모드의 에너지 오염이 얕은 접합의 꼬리를 만드는 원리와, 면저항으로는 잡히지 않는 이유를 안다.
금속 오염과 교차 오염의 원천, 같은 m/q 오염과 메모리 효과를 안다.
촘촘한 구조에서 틸트 주입의 그림자(섀도잉)를 기하로 계산한다.
감광막 아웃개싱·경화, 웨이퍼 차징·가열이 남기는 흔적을 구분한다.

어긋남의 지도

이슈	원인	흔적	잡는 측정
에너지 오염	감속 전 중성화, 분자 이온 해리, 전원 이상	깊은 꼬리, 접합 깊어짐. 면저항은 거의 그대로	SIMS(저에너지 조건), 소자 누설·문턱 전압
도즈 오차	아웃개싱 압력, 2차 전자 누설, 전하 상태 변화	면저항·문턱 전압의 일괄 이동	써멀 웨이브, 4점 탐침, 모니터 웨이퍼
금속 오염	소스·빔 라인 부품 스퍼터, 같은 m/q 이온	접합 누설, 수명 감소, 산화막 신뢰성	표면 금속 분석(TXRF, VPD-ICP-MS 등), 수명 측정
교차 오염	앞서 쓴 도펀트가 소스·빔 라인에 남아 다시 나옴	원치 않는 반대형 도펀트 소량	SIMS, 문턱 전압 이동
섀도잉·각도 오차	틸트와 높은 구조, 빔 평행도, 웨이퍼 휨	좌우 비대칭, 웨이퍼 위치에 따른 차이	전기 특성의 방향 의존, 단면 분석
채널링 변동	결정 절단 각, 빔 각도 변동	꼬리 깊이의 웨이퍼 간·위치 간 차이	SIMS, 써멀 웨이브
감광막 문제	아웃개싱, 고도즈 경화(껍질), 터짐	도즈 오차, 제거 불량 잔여물, 파티클	결함 검사, 세정 후 잔여물 검사
차징·방전	절연 구조의 양전하, 플러드 부족	게이트 산화막 손상, 방전 자국	안테나 시험 구조, 결함 검사

에너지 오염

5장의 감속 모드는 높은 에너지로 빔을 운송하다가 웨이퍼 앞에서 감속한다. 감속 전 구간에서 전자를 얻어 중성이 된 입자는 감속 전극을 느끼지 못하고 운송 에너지 그대로 박힌다. 분자 이온이 감속 전에 깨져 생긴 조각도 엉뚱한 에너지를 갖는다. 이 몫은 대개 아주 작다. 그런데 얕은 접합에서는 아주 작은 몫이 결정적이다.

이유는 로그 축에 있다. DB-20의 첨두는 10²¹ cm⁻³ 근처이고 접합은 10¹⁸에서 정의된다. 세 자릿수 아래다. 오염 성분이 전체의 0.1%만 되어도, 그 성분이 넓게 퍼져 있지 않다면 10¹⁸ 근처에서는 본 분포와 맞먹는다. 아래에서 오염 비율과 운송 에너지 배율을 바꿔 본다.

SIMULATOR

감속 모드 에너지 오염과 접합 깊이

에너지 오염 비율

플래시 어닐 뒤

접합 깊이—

면저항—

DB-20 규격—

해볼 것: ① 운송 ×10, 오염 0.1%. 꼬리가 10¹⁸ 아래에 있어 접합이 거의 그대로다. ② 오염을 0.3%로 올린다. 꼬리 성분이 10¹⁸ 선을 넘는 순간 접합이 13 nm대에서 26 nm로 뛴다. 면저항은 거의 변하지 않는다. 4점 탐침으로는 이 사고를 잡을 수 없다. ③ 운송 ×20으로 바꾼다. 오염이 더 깊고 넓게 퍼져 같은 0.3%에서는 오히려 10¹⁸에 닿지 않는다. 1%에서는 50 nm를 넘는다. ④ 어닐 전후를 비교한다. 깊은 꼬리는 어닐로 사라지지 않는다.

본 성분(B 0.5 keV, PAI로 채널링 없음)과 오염 성분(운송 에너지의 B, 비정질 가정의 피어슨 분포)을 더한 뒤 13장 조건의 플래시 어닐 모델을 적용했다. 오염 성분이 비정질층 아래에서 채널링하는 효과는 넣지 않았다(넣으면 더 깊어진다).

대책은 장비와 감시 두 갈래다. 장비 쪽에서는 감속 렌즈 바로 앞에서 빔을 살짝 꺾어 중성 입자를 걸러 내고, 감속 전 구간을 짧게 하고, 진공을 좋게 유지한다. 감시 쪽에서는 저에너지 주입마다 SIMS 모니터를 두거나, 소자 수준에서 누설과 문턱 전압 분포를 본다. 면저항과 도즈 감시만으로는 이 이슈가 보이지 않는다는 것이 핵심이다.

금속 오염과 교차 오염

이온 빔은 지나가는 모든 것을 조금씩 깎는다. 슬릿과 조리개, 빔관 벽, 웨이퍼를 잡는 부품, 소스의 아크 챔버까지. 깎인 금속 원자(텅스텐, 몰리브덴, 철, 니켈, 크롬, 알루미늄 등)가 웨이퍼에 내려앉거나, 이온이 되어 빔에 섞인다. 질량 분석 자석은 대부분을 걸러 내지만 m/q가 같은 이온은 통과시킨다(4장의 ⁹⁸Mo²⁺와 BF₂⁺). 그리고 자석 뒤에서 생긴 스퍼터 입자는 걸러질 기회가 없다.

실리콘 속의 전이 금속은 밴드갭 한가운데에 에너지 준위를 만들어 캐리어의 생성과 재결합을 돕는다. 접합 누설 전류가 늘고, 이미지 센서에서는 어두울 때도 신호가 나오는 암전류 결함이 된다. 표면의 금속은 산화막 품질도 해친다. 그래서 장비 부품을 실리콘이나 흑연으로 덮어 금속이 빔에 노출되지 않게 하고, 모니터 웨이퍼로 표면 금속 농도를 정기적으로 잰다.

교차 오염(Cross contamination)은 장비가 여러 도펀트를 번갈아 쓰기 때문에 생긴다. 비소를 오래 쓴 소스와 빔 라인에는 비소가 쌓여 있다. 붕소로 바꾼 직후에는 쌓인 비소가 조금씩 다시 나와 빔에 섞인다(메모리 효과). n형과 p형이 섞이면 보상으로 활성 농도가 줄고 문턱 전압이 움직인다. 종을 바꿀 때 소스를 충분히 길들이고(시즈닝), 민감한 주입은 전용 장비로 나누는 이유다.

이런 오염은 개별 칩의 누설 불량, 웨이퍼 맵의 특정 영역에 몰린 불량으로 나타나고, 고장 분석에서 원소 분석으로 확인된다(YieldBook 장비의 지문, FailureBook 불량 메커니즘).

섀도잉

웨이퍼를 기울여 주입하면 높은 구조물의 한쪽에 빔이 닿지 않는 그림자가 생긴다. 그림자 길이는 높이 × tan(틸트)다. 게이트가 성기던 시절에는 그림자가 게이트 사이 공간의 작은 일부였지만, 게이트 피치가 좁아지고 하드마스크와 감광막을 포함한 구조가 높아지면서 그림자가 공간 전체를 덮을 수 있게 되었다. ProcessBook의 이온 주입 장이 감광막 가장자리 하나의 그림자를 보여 준다면, 여기서는 촘촘하게 늘어선 게이트 사이의 할로 주입을 본다.

SIMULATOR

촘촘한 게이트 사이의 틸트 주입

틸트 게이트 피치 게이트 + 하드마스크 높이 반대 방향도 주입 (쿼드의 두 방향)

그림자 길이 (한 방향)—

게이트 사이 공간—

게이트 가장자리에 닿는 몫—

해볼 것: ① 피치 140 nm, 높이 100 nm, 틸트 30°. 그림자 약 58 nm가 공간(게이트 폭 40 nm를 빼면 100 nm)의 절반을 넘게 덮는다. 그래도 양쪽 방향을 합하면 두 게이트 가장자리에 모두 닿는다. ② 피치를 90 nm로 줄인다. 공간 50 nm보다 그림자가 길어져, 각 방향의 빔이 반대편 게이트 가장자리에 닿지 못한다. 할로가 게이트 아래로 들어가지 못한다. ③ 틸트를 15°로 낮춘다. 그림자는 줄지만 게이트 밑으로 파고드는 깊이도 준다. ④ 반대 방향을 끈다. 한쪽 가장자리만 할로를 받아 트랜지스터가 비대칭이 된다.

2차원 기하만 계산했다(직선 빔, 구조물을 뚫는 이온 없음, 측면 퍼짐과 산란 없음). 게이트 폭은 40 nm로 고정. 쿼드 주입의 나머지 두 방향(게이트와 나란한 방향)은 이 단면에서 그림자를 만들지 않으므로 그리지 않았다.

그림자는 할로 같은 틸트 주입의 설계 범위를 정한다. 피치가 좁아지면 틸트를 줄이거나, 게이트를 세우기 전에 넣거나, 다른 방식(에피 성장 중 도핑 등, 16장)으로 바꾼다. 같은 이유로, 채널링을 피하려고 주던 7° 틸트도 촘촘한 구조에서는 좌우 비대칭을 만든다. 그래서 PAI 등으로 채널링을 다스린 뒤 0°로 주입하는 쪽을 택하기도 한다.

감광막, 차징, 가열

아웃개싱. 이온을 맞은 감광막은 수소와 탄화수소를 뿜어 빔 라인 압력을 올리고 도즈를 틀어지게 한다(6장). 진공 펌프를 혹사하고 빔을 불안정하게 한다.
경화와 터짐. 10¹⁵ cm⁻² 이상의 고도즈는 감광막 표면을 탄소가 많은 단단한 껍질로 바꾼다. 껍질 아래의 감광막이 가열되어 기체를 내면 껍질이 터져 파티클이 되고, 껍질은 일반적인 제거 공정으로 잘 벗겨지지 않아 잔여물로 남는다. 주입 전 자외선 경화, 주입 중 웨이퍼 냉각, 전용 제거 공정으로 다룬다.
차징과 방전. 감광막과 절연 구조에 쌓인 전하는 게이트 산화막을 위협하고(6장), 쌓인 전하가 방전되면 표면에 나뭇가지 모양 자국을 남긴다. 플러드 건과 빔 전류 밀도 조절로 다룬다.
가열. 고전류 빔은 수 kW의 전력을 웨이퍼에 쏟는다. 웨이퍼가 데워지면 감광막이 흘러내리고, 손상이 덜 쌓여(동적 회복) 비정질층 두께와 채널링이 바뀐다. 웨이퍼 받침의 냉각이 공정의 일부다.

타깃 파일

TARGET DB-20타깃 파일 · 15장

DB-20이 어긋날 수 있는 곳

DB-20은 감속 모드(운송 5 keV, 10배)의 ¹¹B⁺로 들어간다. 위 모델로 에너지 오염이 0.1%면 플래시 뒤 접합 깊이가 약 14.1 nm로 거의 변하지 않지만, 0.3%가 되면 약 26 nm로 규격을 넘는다. 면저항은 두 경우 모두 약 290 Ω/□로 같다. DB-20의 감시 계획에는 면저항 지도 말고 저에너지 SIMS 모니터가 꼭 들어가야 한다.

틸트도 다시 본다. DB-20은 9장에서 채널링 때문에 7° / 22°로 정했지만, 10장에서 저마늄 PAI로 채널링을 없앴다. 게이트 높이 100 nm라면 7° 틸트의 그림자는 약 12 nm로 게이트 한쪽의 익스텐션을 짧게 만든다. PAI가 있는 한 DB-20은 0°로 넣어도 된다. 마지막으로 PAI의 EOR 결함 띠(16~20 nm)는 접합(약 14 nm) 바로 아래에 있다. 공핍층이 이 띠까지 퍼지면 누설이 생기므로 소자 시험 구조로 접합 누설을 따로 감시한다.

이 장에서 정한 것에너지 오염 허용 한계는 대략 0.1%(모델). 면저항으로는 안 보이니 SIMS로 감시. PAI 덕에 틸트 0°로 그림자 제거. EOR 누설 감시.

아직 남은 문제평면 트랜지스터 다음 세대, 곧 핀과 나노시트에서는 DB-20을 어떻게 만드나.

다음 단계16장에서 3차원 구조의 도핑을 본다.

핵심 정리

얕은 접합에서는 0.1% 단위의 에너지 오염이 접합 깊이를 바꾼다. 면저항은 거의 그대로라 SIMS나 소자 특성으로만 보인다.
금속 오염은 빔이 깎는 부품과 같은 m/q 이온에서 온다. 누설과 수명 감소를 만든다. 교차 오염은 앞서 쓴 도펀트의 메모리 효과다.
틸트 주입의 그림자 길이는 높이 × tan θ. 촘촘한 구조에서는 그림자가 공간 전체를 덮어 할로와 익스텐션을 비대칭으로 만든다.
감광막은 아웃개싱(도즈 오차), 고도즈 경화와 터짐(파티클·잔여물), 차징과 방전, 가열(흐름·동적 회복)의 원천이다.

확인 퀴즈

감속 모드 주입 뒤 면저항은 정상인데 소자의 누설이 늘었다. 가장 먼저 의심할 것은?

작은 고에너지 성분은 면저항에는 거의 영향이 없지만 깊은 꼬리로 접합을 밀어낸다. 저에너지 SIMS로 확인한다.

높이 120 nm의 구조 옆을 틸트 25°로 주입하면 그림자 길이는?

120 × tan 25° ≈ 120 × 0.466 ≈ 56 nm.

비소를 주로 쓰던 장비를 붕소로 바꾼 직후 붕소 주입 웨이퍼의 문턱 전압이 조금 움직였다. 가능성이 높은 원인은?

메모리 효과로 남은 비소가 섞여 들어가 보상을 일으킨다. 종을 바꿀 때 충분히 길들이거나 장비를 나눈다.

고도즈 주입 뒤 감광막이 잘 벗겨지지 않는 주된 이유는?

이온 충돌로 수소가 빠지고 탄소 결합이 촘촘해져 껍질이 된다. 아래층의 가스가 껍질을 터뜨리기도 한다.