이온주입 (Ion Implantation)

이온주입의 원리

이온주입은 이름 그대로 ‘이온을 웨이퍼에 박아 넣는 공정’이다.

도펀트 가스(예: BF3, PH3, AsH3)를 이온원에서 이온화한 뒤, 분석 자석으로 원하는 이온만 골라내고, 고전압으로 가속해 웨이퍼에 쏜다.

도펀트 이온은 결정 격자 사이를 헤집고 들어가 일정 깊이에서 멈춘다.

이 깊이 분포는 ‘LSS 이론’에 따라 가우시안에 가까운 모양을 그린다.

도즈는 단위 면적당 이온 수(ions/cm²), 에너지는 가속 전압(keV)이고, 두 값이 함께 도펀트 농도와 깊이를 결정한다.

이온 주입 장비의 빔라인과 웨이퍼 타깃 구조 · 이미지 출처: Wikimedia Commons

도즈·에너지·각도

이온주입의 강점은 매우 정밀한 제어다.

농도와 깊이를 ‘이온 수와 에너지’로 직접 관리할 수 있어, 확산법보다 훨씬 정확하게 도핑 프로파일을 잡을 수 있다.

또 마스크(주로 PR 또는 SiO₂/SiN 하드마스크)로 가려진 영역에는 도펀트가 들어가지 않으므로, 영역별로 다른 도핑을 만들 수 있다.

CMOS의 nMOS와 pMOS를 영역별로 도핑할 때 이 특성이 핵심이다.

결정 손상과 어닐

문제는 결정 손상이다.

이온이 결정 격자 안으로 박힐 때 격자가 깨지고, 도펀트가 격자 자리에 정확히 들어가지 못해 ‘비활성’ 상태로 남는다.

그래서 이온주입 후에는 어닐 공정을 거쳐 격자를 회복시키고 도펀트를 격자 자리로 옮겨 ‘전기적으로 활성화’시킨다.

어닐 방법은 RTA(Rapid Thermal Anneal), 스파이크 어닐, 레이저 어닐, 플래시 어닐 등이 있다.

첨단 노드의 USJ(Ultra-Shallow Junction)는 어닐 시간을 가능한 짧게 해 도펀트 확산을 최소화하면서 격자만 회복시키는 정교한 어닐을 사용한다.

응용 별 이온주입

응용은 다양하다.

웰 형성에서는 비교적 높은 에너지로 깊은 위치에 n형 또는 p형 도펀트를 넣어 큰 영역을 만든다.

채널 도핑은 트랜지스터의 문턱 전압을 맞추기 위해 매우 정밀한 도즈로 진행된다.

소스/드레인 형성은 트랜지스터의 핵심 단계로, 후속 어닐과 함께 채널과의 접합을 만든다.

LDD(Lightly Doped Drain)·halo·pocket 주입은 채널 가장자리의 전기장 분포를 부드럽게 만들기 위한 보조 주입이다.

MEMS와 전력반도체에서는 깊은 도핑(고에너지 주입), CCD/CIS에서는 매우 정밀한 PWell·NWell 도핑이 사용된다.

차세대 변형: USJ, 플라즈마 도핑

USJ와 차세대 변형은 첨단 노드 트랜지스터에서 결정적이다.

채널 길이가 짧아질수록 소스/드레인 접합이 매우 얕고 정확해야 한다.

이를 위해 BF2 같은 무거운 분자 이온을 사용해 같은 도즈로도 더 얕은 분포를 만들고, 어닐 시간을 ms~μs 수준으로 줄인다.

PIII(Plasma Immersion Ion Implantation)는 웨이퍼를 플라즈마에 노출시키고 펄스 바이어스로 도펀트 이온을 가속해 매우 넓은 면적을 빠르게 도핑한다.

FinFET·GAA 시대에는 도즈 균일도뿐 아니라 ‘각도 주입(tilt implant)’과 ‘회전 주입(rotation)’이 더 중요해졌다.

채널이 3차원 구조라 측면에 도펀트를 넣으려면 일정한 각도가 필요하다.

장비와 안전 이슈

장비는 AMAT(과거 Varian Semiconductor 인수)와 Axcelis가 글로벌 양강 구도다.

일본의 닛신 이온도 전력반도체·자동차용 응용에서 강하다.

한국에서는 AMAT/Axcelis 장비가 거의 양산 라인을 채우고 있고, 일부 R&D 라인에 국산 장비가 들어가 있다.

안전 이슈도 큰 부분이다.

이온원에서 사용하는 가스(BF3, PH3, AsH3, SbF5)는 매우 독성이고, 가속된 이온은 X-ray를 발생시킬 수 있다.

그래서 이온주입 장비는 가스 캐비닛, 가스 검지기, 차폐, 인터록, 정기적인 이온원 정비가 매우 엄격하게 관리된다.

양산 라인에서 ‘안전 사고가 가장 두려운 장비’ 중 하나로 꼽힌다.