열처리 (Annealing)

어닐의 목적과 위치

열처리는 ‘웨이퍼를 데웠다 식히는’ 단순한 공정처럼 보이지만, 그 결과가 트랜지스터 성능과 회로 신뢰성에 결정적인 영향을 미친다.

가장 큰 목적은 두 가지다.

첫째, 이온주입 후 깨진 결정 격자를 회복시키고 도펀트를 격자 자리에 ‘활성화’시키는 일이다.

둘째, 박막 자체의 결정성·응력·계면 결함을 개선하는 일이다.

반도체 열처리용 RTP 장비와 튜브 퍼니스 · 이미지 출처: NIMP/INFIM

퍼니스·RTA·스파이크·레이저·플래시

종류는 시간 스케일로 정리하면 직관적이다.

퍼니스 어닐은 수 시간에서 수십 시간 동안 600~1,000도 분위기에 웨이퍼를 둔다.

도펀트 확산이 충분히 일어나기 때문에 깊은 접합 형성에 적합하지만, 첨단 노드의 얕은 접합에는 도펀트가 너무 퍼져 부적합하다.

RTA(Rapid Thermal Anneal)는 수십 초 안에 1,000도 이상으로 빠르게 가열·냉각해 도펀트 확산을 줄인다.

스파이크 어닐(Spike Anneal)은 RTA의 변형으로, 정점에서 머무르는 시간을 거의 0에 가깝게 만든다.

레이저 어닐과 플래시 어닐은 ms 또는 μs 수준의 매우 짧은 시간에 표면만 1,200~1,400도까지 올렸다 식힌다.

도펀트 활성화는 일어나지만 확산이 거의 없어 USJ에 적합하다.

MWA(마이크로웨이브 어닐)는 비교적 낮은 온도에서 도펀트만 선택적으로 활성화시키는 방법으로 연구 중이다.

도펀트 활성화 vs 확산

도펀트 활성화와 확산은 본질적으로 트레이드오프 관계다.

더 높고 더 긴 어닐은 활성화율을 높이지만 도펀트가 더 넓게 퍼져 접합이 깊어진다.

첨단 노드는 매우 얕은 접합(수 nm)을 요구하기 때문에, 활성화는 충분히 하면서 확산은 최소화하는 ‘짧고 강한’ 어닐이 핵심이다.

이를 위해 레이저 어닐, 플래시 어닐 같은 ms 이하 어닐 기술이 발전했다.

동시에 도펀트 자체도 BF2처럼 무거운 분자 도펀트, 게르마늄 사전 비정질화(pre-amorphization) 같은 기법으로 ‘덜 퍼지게’ 만든다.

실리사이드와 메탈 어닐

실리사이드 형성도 어닐의 주요 응용이다.

게이트·소스/드레인 위에 Ti·Co·Ni을 증착한 뒤 어닐하면 실리콘과 반응해 TiSi2·CoSi2·NiSi 같은 실리사이드가 형성된다.

실리사이드는 컨택 저항을 크게 낮춰 트랜지스터 성능에 직접 영향을 준다.

NiSi는 비교적 낮은 온도(400도 내외)에서 형성되고 저저항이라 첨단 노드에 표준이지만, 패턴 형상에 따라 응집(agglomeration)이 일어나기 쉬워 정밀한 어닐이 필요하다.

메탈 라인의 결정 성장(grain growth)·응력 완화도 어닐로 이루어진다.

분위기와 forming gas

분위기는 어닐 결과에 큰 영향을 준다.

N2 분위기는 가장 보편적이며 박막의 산화·환원을 막는다.

H2 또는 forming gas(N2+H2 혼합) 어닐은 H가 게이트 산화막의 계면 트랩을 패시베이션 해 트랜지스터 신뢰성을 크게 향상시킨다.

NH3 어닐은 질화 박막 형성에, O2 어닐은 가벼운 산화 또는 박막 안정화에 사용된다.

분위기에 미세한 산소가 섞이면 의도치 않은 산화막이 자라거나 도펀트 활성화가 방해받기 때문에 가스 순도와 챔버 누설 관리가 중요하다.

첨단 노드의 어닐 동향

첨단 노드의 어닐 동향은 ‘점점 더 짧고 점점 더 정밀하게’로 요약할 수 있다.

GAA 트랜지스터에서는 시트 사이의 도펀트 분포 제어가 더 까다롭고, 시트 가장자리의 활성화·확산이 트랜지스터 특성에 직접 영향을 준다.

그래서 레이저 어닐의 비중이 늘고, 일부 신소재(2D 채널)에서는 매우 낮은 온도 어닐 또는 플라즈마 후처리 같은 새로운 기법이 연구되고 있다.

장비는 AMAT(Vantage RadOx, Centura RTP)·TEL(Indy/Trias)·Veeco·Mattson(현 Beijing E-Town) 등이 글로벌 공급사다.

한국에서는 AP시스템, 비아트론, 원익IPS 등이 어닐(특히 디스플레이용 ELA, 반도체용 RTA·레이저 어닐) 장비를 다룬다.