반도체 도핑 공정 - Ion Implantation / Diffusion

* 산업 전문가가 쓴 글이 아닙니다

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반도체 공부하면서 가장 어이 없던 공정 중에 하나가 바로 도핑. 반도체에 불순물을 주입해서 전기적 특성을 조절하는 작업이다. 실리콘 웨이퍼에 불순물을 넣는다는데, 대체 어떻게 넣는다는건지 전혀 이해가 가지 않았던 공정. 

첫 번째 사진처럼 상대적으로 단순한 구조는 물론, 두 번째 사진처럼 복잡한 공정은 뭐 도핑을 어떻게 한다는건지 전혀 이해가 가지 않았는데.... 

 

1. Diffusion vs Ion Implantation 

확산은 Dopant 및 웨이퍼를 고온으로 처리하여, 기체 상태의 Dopant가 웨이퍼 내로 서서히 퍼져 나가게 하는 방법. 이를 통해 일정 영역에 이온을 확산시키는건데, 이 방법으로는 사실 복잡한 형태의 도핑을 하기 어렵다. 소형화 및 고집적화에 특히 부적합 해 나온 방식이 이온 주입 

간단히 말하면 Dopant 이온을 빠르게 가속하여 원하는 지점에 원하는 속도로 때려박는 것. 그래서 불순물을 필요한 만큼 원하는 깊이에 정확히 주입할 수 있다고 한다. (물론 깊이에 제한이 있다). 웨이퍼가 단단해 보이지만 원자 단위에서는 사이에 공간도 있고, 일종의 스펀지에 공을 던져 넣는 작업과 비슷하다고 한다. 

 

https://www.youtube.com/watch?v=RKQIXCqBZ1M, https://m.blog.naver.com/khm159/221674098198

 

 

2. 이온 주입 공정에 따른 웨이퍼의 손상과 어닐링(담금질)

이렇게 이온을 웨이퍼에 고속으로 때려 박으면 생기는 문제 중 하나가, 웨이퍼가 물리적으로 손상된다는 것. 아래와 같이 웨이퍼의 내부가 깨지게 되는데 이걸 고치기 위해 필요한 것이 어닐링 과정. 이온 주입 후 열을 가하고 다시 식히는 과정에서, 손상을 입은 결정 구조가 다시 안정화 되게 된다. 

https://m.blog.naver.com/klp0712/221089611867

 

3. 이온 주입 장비와 관련 기업

이온 주입 장비는 아래와 같이, 이온을 추출하고 가속해서 웨이퍼에 때리는 역할을 한다. 웨이퍼를 한장 한장 처리하다 보니 Diffusion과는 달리 한번에 대량의 Batch를 처리 할 수 없다고 한다. 

https://www.mksinst.com/n/ion-implantation

거의 순수하게 이온 주입 장비를 하는 기업으로는 Axcelis가 가장 큰 것 같은데 (시가총액 1조원 정도), 사업보고서상 경쟁하는 기업으로는  Applied Materials가 가장 크고, 일본의 Sumitomo Heavy Industries Ion Technology,  Nissin Ion Equipment 와  대만의 Advanced  Ion Beam Technology가 있는 것으로 보인다. 생각보다 작은 시장으로 보이는 것 같은...