Chapter 07

장비 분류

지금까지 본 소스, 자석, 빔 라인, 도즈 측정은 모든 이온 주입기에 있다. 그런데 0.5 keV로 10¹⁶ cm⁻²를 넣는 일과 2 MeV로 10¹² cm⁻²를 넣는 일은 같은 장비로 할 수 없다. 에너지는 일곱 자릿수, 도즈는 여섯 자릿수를 오간다. 그래서 이온 주입기는 맡는 영역에 따라 몇 종류로 나뉜다. 이 장은 에너지-도즈 지도 위에 장비와 용도를 놓고, 각 장비가 왜 그 영역을 맡는지를 앞 장들의 물리로 설명한다.

에너지-도즈 지도

아래 지도의 가로축은 에너지, 세로축은 도즈다. 색 영역은 각 장비 종류가 주로 맡는 범위다. 점은 2장의 도핑 스텝과 몇 가지 특수 주입이다. 점을 누르면 그 주입이 무엇이고 왜 그 장비인지 나온다.

SIMULATOR

에너지-도즈 지도 위의 장비와 용도

점을 누르거나 끌어서 고른다
고른 주입—
이온 · 에너지 · 도즈—
맡는 장비—
왜—
해볼 것: ① 오른쪽 아래(높은 에너지, 낮은 도즈)부터 왼쪽 위(낮은 에너지, 높은 도즈)로 점을 차례로 눌러 본다. 공정 흐름의 순서와 대체로 같다. 깊은 것부터 얕은 것으로. ② 타깃 DB-20 점을 누른다. 고전류 장비 영역의 왼쪽 끝, 감속 모드가 필요한 곳이다. 플라스마 도핑 영역과도 겹친다. ③ 수소 분리 주입 점을 누른다. 도즈가 10¹⁶ cm⁻² 이상이라 지도의 맨 위다.
영역의 경계는 교과서·공개 자료에 나오는 대표 범위를 둥글린 것이다. 실제 장비의 사양은 세대와 모델마다 다르고 영역은 서로 겹친다. 점의 에너지·도즈도 2장과 같은 교육용 대표값이다.

네 가지 장비

고전류 주입기

소스·드레인, 익스텐션, 게이트 폴리, 비정질화 주입처럼 10¹⁴~10¹⁶ cm⁻²의 많은 도즈를 낮은 에너지(대략 0.2~80 keV)로 넣는다. 빔 전류가 수 mA에서 수십 mA에 이른다. 공간 전하와 싸우는 장비다(5장). 빔 라인을 짧게 하고, 리본 빔이나 넓은 스폿 빔을 쓰고, 저에너지에서는 감속 모드를 쓴다. 분석 자석의 슬릿을 넓게 써 분해능은 높지 않다. 전류가 크므로 웨이퍼 차징과 가열 관리가 중요하다(6장).

중전류 주입기

채널 도핑, 할로, 일부 웰처럼 10¹¹~10¹⁴ cm⁻²를 넓은 에너지 범위(수 keV~수백 keV)로 넣는다. 전류는 µA~mA 수준이다. 도즈가 작으니 공간 전하보다 정확도가 중요하다. 할로처럼 웨이퍼를 수십 도 기울여 넣는 주입이 많아 입사각을 정밀하게 맞추는 능력이 핵심이다. 에너지 범위를 넓히려 2가·3가 이온을 쓰기도 한다(4장).

고에너지 주입기

깊은 웰, 이미지 센서의 깊은 포토다이오드, 전력 소자의 깊은 층처럼 수백 keV~수 MeV가 필요한 주입을 맡는다. 정전 가속관 하나로 MeV까지 올리기는 어려우므로 고주파 선형 가속기로 여러 단에 걸쳐 가속하거나, 음이온을 가속한 뒤 가운데에서 전자를 벗겨 양이온으로 바꿔 한 번 더 가속하는 탠덤 방식을 쓴다. 도즈는 대개 작다. 깊은 곳까지 막으려면 감광막이 수 µm 두께여야 한다는 것도 이 장비의 숙제다.

플라스마 도핑

빔을 만들지 않는다. 웨이퍼를 도펀트 기체(B₂H₆, AsH₃ 등)의 플라스마에 담그고 웨이퍼에 음의 펄스 전압을 걸어 플라스마의 양이온을 표면으로 끌어당긴다(플라스마 도핑(Plasma doping, PLAD), 플라스마 잠김 이온 주입). 웨이퍼 전체에 한꺼번에 이온이 들어오므로 아주 낮은 에너지(수십 eV~수 keV)로 아주 많은 도즈(10¹⁵~10¹⁷ cm⁻²)를 빠르게 넣는다. 대신 질량 분석이 없어서 원하는 도펀트 이온 말고도 수소, 분자 조각이 함께 들어오고, 표면에 막이 쌓이거나 깎이는 일이 함께 일어나 도즈를 정확히 세기 어렵다. 이온이 여러 방향에서 들어와 핀 옆면에도 닿는다는 성질이 3차원 소자에서 다시 주목받는다(16장).

한 장씩, 또는 여러 장씩예전 고전류 장비는 웨이퍼 십여 장을 큰 원판에 올려 빠르게 돌리는 배치식이 많았다. 빔이 한 장에 머무는 시간이 짧아 가열과 차징이 분산된다. 웨이퍼가 커지고 입사각을 장 전체에서 똑같이 맞추는 일이 중요해지면서 한 장씩 처리하는 매엽식이 주류가 되었다.

한 장에 얼마나 걸리나

주입 시간은 넣을 전하를 빔 전류로 나눈 것이다. 웨이퍼 면적보다 조금 넓게 훑어야 하고(넘쳐 나가는 몫), 웨이퍼를 넣고 빼고 진공을 맞추는 시간이 더해진다.

$$t_{\text{주입}} = \frac{z\,q\,\Phi\,A_{\text{훑는 면적}}}{I_{\text{빔}}}, \qquad \text{시간당 처리량} = \frac{3600}{t_{\text{주입}} + t_{\text{교체}}}$$
\(\Phi\)는 도즈, \(A\)는 실제로 훑는 면적(웨이퍼 면적 × 넘쳐 나가는 몫), \(z\)는 전하 수다. 도즈가 크면 주입 시간이, 작으면 교체 시간이 처리량을 정한다.
SIMULATOR

도즈, 빔 전류, 처리량

한 장에 넣을 전하—
주입 시간—
시간당 웨이퍼—
무엇이 묶나—
해볼 것: ① 도즈 10¹⁵, 전류 2 mA(DB-20). 가장자리 넘침까지 훑는 주입 시간이 약 74초, 교체 10초를 더해 시간당 40장 남짓이다. ② 같은 도즈에서 전류를 0.2 mA로 줄인다(저에너지에서 전류를 잃은 경우). 처리량이 열 배 가까이 준다. 저에너지 고전류가 돈이 되는 이유다. ③ 도즈 10¹²로 내린다. 주입은 1초도 안 걸리고 처리량은 교체 시간이 정한다. 중전류 장비의 사정이다. ④ 도즈 10¹⁶~10¹⁷이면 고전류로도 수십 분이다. 플라스마 도핑이 필요해지는 영역이다.
1가 이온, 훑는 면적 = 웨이퍼 면적 × 1.3(가장자리 넘침), 빔 전류 일정. 실제 장비의 처리량은 빔 설정 시간, 틸트·회전 단계, 다회 스캔, 진공 회복 시간에 따라 크게 다르다.

타깃 파일

TARGET DB-20타깃 파일 · 7장

DB-20은 어느 장비의 일인가

붕소 0.5 keV, 10¹⁵ cm⁻²는 고전류 주입기의 왼쪽 끝이다. 3~6장에서 본 대로 이 영역의 문제는 모두 같은 뿌리를 갖는다. 추출 한계, 공간 전하, 감속 모드의 에너지 오염, 그리고 생산성. 위 시뮬레이터로 300 mm 웨이퍼, 빔 전류 2 mA면 주입 약 74초(넘침 몫 포함), 교체 10초를 더해 시간당 약 43장이다. 전류가 0.2 mA로 떨어지면 시간당 5장 아래가 된다.

같은 영역을 플라스마 도핑으로 넣을 수도 있다. 웨이퍼 전체에 한꺼번에 넣으니 빠르지만, 질량 분석이 없어 수소 같은 다른 이온이 함께 들어가고 도즈를 정밀하게 세기 어렵다. 이 책은 빔 주입(고전류, 감속 모드의 ¹¹B⁺)을 기본 경로로 계속 따라가고, 플라스마 도핑은 3차원 구조에서 다시 꺼낸다(16장). 이제 장비 이야기를 마치고, 웨이퍼 속으로 들어간다.

이 장에서 정한 것DB-20 = 고전류 장비, 감속 모드 ¹¹B⁺. 2 mA면 시간당 약 40장대.
아직 남은 문제0.5 keV 붕소는 실리콘 속에서 얼마나 깊이 들어가 멈추나.
다음 단계8장에서 이온이 멈추는 물리를 본다.

핵심 정리

  1. 고전류: 낮은 에너지·많은 도즈(소스·드레인, 익스텐션, PAI). 공간 전하와 생산성의 장비.
  2. 중전류: 넓은 에너지·적은 도즈(채널, 할로). 도즈 정확도와 입사각 제어의 장비.
  3. 고에너지: 수백 keV~MeV(깊은 웰, 포토다이오드). 고주파 선형 가속기나 탠덤 가속.
  4. 플라스마 도핑: 질량 분석 없이 플라스마의 이온을 펄스 전압으로 끌어당긴다. 초저에너지·초고도즈, 여러 방향으로 들어와 3차원 구조에 유리하지만 도즈 계량과 순도가 숙제다.
  5. 주입 시간 = 넣을 전하 ÷ 빔 전류. 큰 도즈는 전류가, 작은 도즈는 교체 시간이 처리량을 정한다.

확인 퀴즈

할로 주입(수십 keV, 10¹³ cm⁻², 30° 틸트)을 주로 맡는 장비와 그 이유는?

도즈가 작아 전류가 크게 필요 없고, 기울여 넣는 주입이라 각도 정밀도가 중요하다.

300 mm 웨이퍼(약 707 cm²)에 10¹⁶ cm⁻²를 10 mA 빔으로 넣는다. 넘침 몫을 무시하면 주입 시간은?

전하 = 10¹⁶ × 707 × 1.6×10⁻¹⁹ ≈ 1.13 C. 1.13 C ÷ 0.01 A ≈ 113초.

플라스마 도핑의 약점으로 맞는 것은?

플라스마의 모든 양이온이 끌려오고, 증착·식각이 함께 일어나 전류만으로 도즈를 알 수 없다.

MeV 주입에 고주파 선형 가속기나 탠덤 가속기를 쓰는 이유는?

MV급 전압을 한 번에 다루기 어려우므로 여러 단에서 나눠 가속하거나(선형 가속기), 같은 전압을 음이온과 양이온으로 두 번 쓴다(탠덤).