Diffusion Process, Ion Implantation   확산 공정, 이온 주입

1. 도핑 (Doping) 및 pn 접합 (PN Junction)

  ㅇ 조절된 양의 불순물 도펀트를 반도체에 넣는 과정
     - 도핑 종별 구분 : 불순물 반도체 (p형, n형, 보상)
     - 도핑 공정 구분 : 확산 공정, 이온 주입 공정

  ㅇ 도핑을 통해, pn 접합을 만드는 공정 : 확산 공정, 이온 주입 공정


2. 확산 (Diffusion) 공정 

  ㅇ 원리 및 방법
     - 열 에너지에 의해 불순물 원자를 반도체 기판 내부로 확산시킴
        . 높은 온도의 전기로에서, 가스 상태의 불순물로, 웨이퍼 표면에 얇게 증착시킨 후,
        . 열처리를 함으로써, 원하는 깊이 만큼 내부로 확산시켜 만듬
     - (1952년, Calvin Fuller)
        . 조절된 고온의 석영 튜브 노(Quartz Tube Furnace)에 반도체 웨이퍼를 놓아두거나,  
        . 불순물 혼합 가스에 웨이퍼를 통과시키는 공정을 개발

  ㅇ 기술적 특징
     - 주로, 깊은 접합 형성
     - 확산시 높은 온도 사용 : (Si) 800~1200 [℃], (GaAs) 600~1000 [℃]
     - 확산에 따른, 불순물 농도 (가우시안 분포 가정)
        
[# N(x,t) = \frac{N_0}{\sqrt{\pi Dt}} e^{-x^2/4Dt} #]
        . N(x,t) : 특정 시간 t 후, 깊이 x에서의 불순물 농도 [1/㎤]
        . N0 : 단위 면적 당 도펀트 수 [1/㎠]
        . D : 확산계수, 확산율 [㎠/s]
     - 확산율 의존성 : 지수 비례적, D ∝ exp(−Ea/kT)
        . (D : 확산율, Ea : 활성화 에너지, k : 볼츠만상수, T : 절대온도)
     - 확산층의 두께 : NA = ND가 되는 깊이
        . 이를, 접합 깊이 (junction depth) 라고 함
     - 확산 속도 : 온도에 따라 증가됨

  ㅇ 확산 소스 (source) 형태별 구분
     - 고체 소스 확산 (BN, As2O3, P2O5)
     - 액체 소스 확산 (BBr3, AsCl3, POCl3)
     - 기체 소스 확산 (B2H6, AsH3, PH3)
     * 일반적으로, 기체 소스를 가장 많이 사용

  ㅇ 확산 방향 구분
      
     - 드라이브인 확산공정 : 기판을 더욱 가열시켜, 그 내부로 도펀트를 끌어들이는 방식

  ※ 확산 공정은, 
     - IC 산업 초기에 많이 쓰였으나, 지금은, 세밀한 조절이 가능한 이온 주입 보다 덜 선호됨
     - 다만, 상대적으로 저렴한 공정이고, 균질성(등방성)은 좋은 편


3. 이온 주입 (Ion Implantation) 공정 

  ㅇ 원리 및 방법
     - 최고 백만 V 정도의 고 전압 빔으로 이온을 가속시켜 주입
     - 도펀트 이온을 높은 에너지로 가속시킨 이온 빔을 실리콘 표면에 일정 깊이로
       주입하는 방식 (1958년, W.Schckley)

  ㅇ 기술적 특징
     - 주로, 얕은 접합 형성
     - 불순물 분포 형태 : 이온 질량, 이온 에너지에 따라 결정됨
     - 이온 주입 에너지 : 1 k ~ 1 M [eV] 
     - 이온 주입 깊이   : 10 ㎚ ~ 10 ㎛
     - 이온 불순물 양   : 1012 ~ 1018 [ions/㎠]
     - 이온 주입 방향 조절 : 음극선관 처럼 편향판 쌍에 의해 조준 주입됨

  ㅇ 장점 
     - 세밀하게 불순물 주입 깊이, 분포, 조성을 조절 가능
     - 상온 공정

  ㅇ 이온주입 주요 구성요소
     - 진공 장치
     - 이온 공급 장치
     - 분류기
     - 가속기
     - 집속기
     - 중성 빔 포획 장치
     - 주사 장치