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제 6 장 Ion Implantation

1. 이온 주입의 응용

▢ MOSFET

• Threshold voltage adjustment

• Channel stop implant

• Source/Drain formation

• Polysilicon doping

• Well formation

• Punchthrough stopper

• Graded S/D formation (LDD, DDD)

• Retrograde well formation

• Diffusion/ polysilicon resistor

▢ Bipolar

• N+ buried layer formation

• N+ collector plug formation

• Base formation

• Emitter formation

• Buried collector formation

• Polysilicon emitter

• High value resistor formation

• Diffusion/ polysilicon resistor

▢ Others

• Back damage layer formation for gettering

• SOI insulator formation (SIMOX)

• Ion beam mixing to promote silicidation

reaction

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2. 이온 주입의 장점과 단점

▢ 장점• 정밀한 도핑 농도 조절 가능 (《 3%)

• lateral penetration이 小: small 소자 제작 유리

• 얇은 표면층 투과해서 불순물 주입: 오염 방지

• multiple implant으로 원하는 도핑 분포도 생성 가능

• abrupt junction 형성 가능

• 저온 공정: PR을 mask layer로 사용 가능

• 다양한 mask layers: PR, SiO2, Si3N4, Polysilicon

• 고진공 공정: 오염 방지

• Automatic control 용이

▢ 단점

• target material에 damage 발생

• non-zero lateral penetration

• low throughput

• complex equipment

• safety hazards (high voltage, toxic gas)

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3. Impurity Profiles

(1) Definitions

• R : range

• Rp : projected range

• ΔRp : projected straggle

• ΔR⊥ : lateral straggle

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(2) Theory of Ion Stopping

(a) Basic energy loss mechanisms

▢ Nuclear stopping

• Energy loss due to collisions with target nuclei

• Ballard ball collisions

• Nuclear stopping power:

▢ Electronic stopping• Energy loss due to interaction between incident

positive ions and electron cloud surrounding the

target nuclei

• Similar to stopping in a viscous medium

• Electronic stopping power:

여기서, ke = 107 eV for Si

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▢ Range:

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(b) LSS (Lindhard, Scharff and Schitt) theory

• Models for implantation profiles in amorphous solids

▢ 대략적으로 주입된 이온 농도는 Gaussian 분포 형성

⊥

⊥

(S = I tqA

:단위면적당 dose)

▢

▢ peak concentration:

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▢ Higher moment distributions for implant profiles

in amorphous solids

• non-Gaussian distribution (skewness, kurtosis)

due to "back scattering" for light ions or

"knock-on" for heavy ions

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ion 에너지

(keV)

channeling 방향

<110> <111> <100> B 30

50

P 30

50

As 30

50

4.2 3.5 3.3

3.7 3.2 2.9

5.2 4.3 4.0

4.5 3.8 3.5

5.9 5.0 4.5

5.2 4.4 4.0

(C) Implant into single crystal materials: channeling

▢ Channeling

• 입사된 이온이 target nuclei 와 충돌하지 않고 open channel을 통해 안으로 깊이 침투

▢ 이온 종류에 대한 channeling 임계각: φ ∝ E •1/4

▢ Schematics of open channels

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▢ Channeling 방지하기 위하여 wafer를 incident beam

의 방향에 대하여 약 7°tilt 시키고 있으나, wafer tilt

만으로는 충분치 못함

이유는,

① ion이 lattice 안으로 들어간 후 여러 회의 충동을 거

치면서 open channel 의 방향을 갖게 되는 경우 발생

(indirect channeling)

② Planar channeling 발생: wafer의 twist 필요 • Planar channeling

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▢ 기타 ion channeling을 감소시킬 수 있는 방안

① implant through a surface oxide

② using heavy ions (example, BF2 rather than B)

③ Pre-amorphizing by prior implant with Si or Ge

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▢ Implantation Dose

- For singly charged ions (e.g. As+)

×

= # / cm2

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4. Ion Implantation Damage and

Damage Annealing in Si

(1) Implantation Damage in Si

▢ Damage 발생 경위: nuclear collision에 의해 발생

ⓛ ΔEn < Edi: no defect 발생

② Edi ΔEn 2Edi: isolated point defect 발생

③ 2Edi << ΔEn: multiple secondary displacement 및

defect clusters 발생. Defect 발생이 계속 진행되면

crystal lattice가 amorphize 됨. * Edi: Si 분자를 변위시키기 위해 필요한 에너지 (15 eV)

▢ Primary Crystalline Defect Damage

(i) Light ions (e.g. B)

• 이온의 에너지 大 -> Sn 小 -> damage 발생 小 이온의 에너지 小- > Sn 大 -> damage 발생 大 => 주입된 이온의 range의 끝에서 damage 발생

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(ii) Heavy ions (e.g. As)

• low, high energy 모든 영역에서 Sn이 大 => 모든 range에서 damage 발생

As+, 100 keV

Sn = 1.3 ×103 keV/μm →dominant

Se = 2.2 ×102 keV/μm

(iii) High dose implant: amorphous layer 형성

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(2) Annealing for Electrical Activation and Damage

Cure

• purpose :

to reduce strain and defects

to recover crystal structure

to recover carrier mobility (impurity activation)

• temperature : 400∼1000℃

600 ℃ → epi-layer from a-Si

• time : 15∼30 minutes

• reverse annealing : 500∼600℃ for Si

• evaluation: carrier mobility; dopant activation

leakage current; carrier life time

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5. Transient Enhanced Diffusion (TED)

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▢ Example of TED

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6. Ion Implantation Equipment

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(1) Implanter types① Medium current implanter:

< 2 mA, Max energy = 200 keV

② High current implanter:

< 30 mA, Max energy = 160 keV

③ Pre-deposition implanter:

high current, low energy (10-30 keV)

④ High energy implanter: up to several MeV

(2) Implant system limitations

▢ Particle and oil Contaminations

• Heavy metal contaminations from aperture or

wafer holders

• Cross-contamination from previous run

• Pump oil contamination

▢ Dose 측정의 부정확

• dose 측정은 faraday cup 내부에 내장된 sample에

의해 수집된 전류를 적분하여 구함. 이 때, beam 중성화

와 target으로부터 secondary electron의 방출에 의해

error 발생

▢ Implantation mask problem

• heavy dose implant시 PR의 온도 상승으로 PR의

degradation (flow, crack, blister) 발생. 따라서 wafer

cooling 필요

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▢ Wafer charging

• implant 동안 wafer 표면으로부터 secondary

electron들이 계속 방출됨으로 인하여 wafer 표면에

positive charge가 축적. electron shower 필요.

▢ Scan Loc-up due to partial scan synchronization

▢ BF2 implant rather than B for shallow junction

▢ Doubly ionized species의 implant:

• 낮은 에너지 아래에서 깊이 implant하는 것이

가능하나, doubly ionized된 이온의 생성율이 낮기

때문에 implantation 시간이 많이 걸림