도펀트 확산의 실제

2장의 Fick 법칙은 확산 계수 D가 어디서나 같다고 놓고 풀었다. 실제 웨이퍼에서는 이 가정이 자주 깨진다. 비소를 진하게 넣으면 분포가 erfc보다 네모난 상자처럼 되고, 표면을 산화하면 같은 온도에서도 붕소는 빨라지고 안티모니는 느려진다. 이온 주입 직후의 첫 열처리에서는 붕소가 교과서 값보다 100배 넘게 빨리 퍼지기도 한다. 이 장은 이런 어긋남이 대부분 한 뿌리, 곧 실리콘 속 점결함에서 나온다는 것을 따라간다. 도펀트가 자리를 옮기는 원자 단위의 방법에서 출발해 농도, 산화, 주입 손상, 계면이 확산을 어떻게 바꾸는지 시뮬레이터로 직접 움직여 본다.

이상적인 Fick 법칙이 맞지 않는 순간

2장에서 Fick의 두 번째 법칙을 \(\partial C/\partial t = D\,\partial^2 C/\partial x^2\) 꼴로 풀었다. 이 식은 확산 계수 \(D\)가 깊이, 농도, 시간과 무관하다고 가정한다. Jaeger의 강의 슬라이드는 이 가정 옆에 "D는 농도와 무관하다고 가정"이라고 따로 표시해 두고, Portland State 대학 강의는 D가 일정한 형태가 실제로는 드물게 맞지만 해석적으로 풀리는 유일한 형태라고 정리한다. erfc와 Gaussian이라는 깔끔한 해는 이 가정 덕분에 얻은 것이다.

그렇다면 언제 어긋날까. 그림 1의 네 장면이 이 장에서 다룰 대표 사례다. (a) 표면 농도가 아주 높은 비소(As)는 분포가 erfc보다 가파른 상자 모양이 된다. (b) 고농도 인(P)은 표면 근처에서 가파르게 떨어지다가 10²⁰ cm⁻³ 근처에서 꺾이고 깊은 곳까지 긴 꼬리를 남긴다. (c) 표면을 산화하거나 이온 주입 손상이 있으면 같은 온도와 시간에도 붕소(B)와 인이 훨씬 깊이 들어간다. (d) 산화막이 자라는 계면에서는 붕소가 실리콘 표면에서 빠져나가고 인은 쌓인다.

그림 1. 이상적인 Fick 분포(점선)와 실제 분포(실선)가 어긋나는 네 장면. (a)와 (b)는 3절의 농도 의존 확산 모델(1000 °C, (b)는 꼬리 증속 s = 30을 넣은 학습용 설정)로, (c)는 확산 계수를 10배로 키운 erfc로, (d)는 6절의 분리 모델(1000 °C 습식 산화 60분)로 계산해 그렸다. 모양을 비교하는 개념도이며, (a)~(c)의 세로축은 로그 눈금, (d)는 처음 농도로 나눈 선형 눈금이다.

네 장면은 겉으로는 제각각이지만 원인은 대부분 한곳으로 모인다. Portland State 강의의 요약을 옮기면 이렇다. 원자 단위의 확산은 도펀트와 점결함이 짝을 지어 일어나고, 확산 계수는 대체로 그 자리의 점결함 농도에 비례한다. 그리고 점결함 농도는 온도뿐 아니라 페르미 준위, 이온 주입 손상, 산화 같은 표면 공정에 따라 지수적으로 바뀐다. 그 결과 고온 공정 동안 확산 계수가 시간과 위치에 따라 달라진다. 이 장은 아래 표의 순서로 하나씩 살펴본다.

무엇이 바뀌나대표 현상다루는 곳
도핑 농도(페르미 준위) → 하전 점결함의 수As 상자형 분포, P 꺾임과 꼬리, 전기장 효과3절
표면 산화(격자간 원자 주입), 질화(빈자리 주입)OED, ORD4절
이온 주입 손상(과잉 격자간 원자)TED5절
두 물질의 경계(분리 평형), 고용도, 금속 불순물B 공핍, P 쌓임, 빠른 확산6절

마지막 줄의 분리 현상은 점결함이 아니라 두 물질 사이의 평형이 원인이지만, "표준 해의 경계 조건이 바뀐다"는 점에서 함께 다룬다. 공정 시뮬레이터는 이런 효과를 모두 넣은 확산 식을 수치로 푼다. 이 장의 시뮬레이터도 2장의 erfc를 기준선으로 두고 효과를 하나씩 더해 가며 같은 일을 작게 해 본다.

점결함과 확산 메커니즘

실리콘 결정에서 원자는 정해진 격자 자리에 앉아 있다. 결정이 완벽하다면 치환 자리의 도펀트는 옮겨 갈 빈 곳이 없다. 그러나 실제 결정에는 늘 약간의 점결함(Point defect)이 있다. 원자 하나가 빠진 자리인 빈자리(Vacancy, V)와, 격자 자리 사이의 틈에 끼어 있는 실리콘 원자인 자기 격자간 원자(Self-interstitial, I)가 대표적이다.

이들은 얼마나 있을까. Plummer 등의 강의 자료는 중성 점결함의 평형 농도를 다음 식으로 준다.

$$C_I^{*} = 1\times10^{27}\,\exp\!\left(-\frac{3.8\ \text{eV}}{kT}\right),\qquad C_V^{*} = 9\times10^{23}\,\exp\!\left(-\frac{2.6\ \text{eV}}{kT}\right)\ \ \text{cm}^{-3}$$
별표(*)는 열평형 값이다. \(k\)는 볼츠만 상수, \(T\)는 절대 온도.

상온에서는 사실상 0이고, 1000 °C에서도 10¹²~10¹⁴ cm⁻³로 직접 재기 어려울 만큼 적다. 실리콘 원자는 격자 상수로 계산하면 cm³당 약 5×10²²개다. 위 식으로 1000 °C 값을 계산해 나눠 보면 빈자리는 실리콘 원자 약 10억 개에 하나, 격자간 원자는 수백억 개에 하나꼴이다. 이렇게 드문 손님이 도펀트 확산의 열쇠를 쥐고 있다.

도펀트가 움직이는 길은 크게 두 갈래다.

그림 2. 원자가 결정 속에서 자리를 옮기는 네 가지 길. (a) 격자간 확산: 작은 원자(분홍)가 틈에서 틈으로 뛴다. (b) 빈자리 교환: 도펀트(주황)가 옆의 빈자리(점선 원)로 건너뛴다. (c) Kick-out: 실리콘 격자간 원자(회색 작은 원)가 도펀트를 틈으로 밀어내고 그 자리를 차지한다. (d) Frank–Turnbull: 틈에 있던 불순물(분홍 작은 원)이 빈자리로 들어가 치환 자리를 차지한다. Portland State 강의가 정리한 분류를 평면에 펼친 개념도이며, 실제 결정은 3차원 다이아몬드 구조다.

치환형 도펀트는 왜 이렇게 느릴까. 한 번 뛰는 데 드는 에너지를 비교해 보자. 격자간 원자는 이웃 원자 사이를 비집고 지나가는 장벽만 넘으면 되므로 상온에서도 약 1분에 한 번 뛴다. 치환형 원자는 옆에 빈자리가 있어야 하므로 빈자리를 만드는 에너지와 장벽을 넘는 에너지를 함께 내야 한다. 그 합이 불순물에서 약 3~4 eV, 실리콘 자기 확산에서 5.13 eV이고, 상온에서는 약 10⁴⁵년에 한 번 뛴다는 계산이 나온다. CityU 강의도 격자간 확산 불순물의 활성화 에너지를 0.5~1.5 eV, 치환형을 3~5 eV로 나눈다. 6절의 빠른 확산 금속이 앞쪽 무리에 속한다. 금(Au)처럼 격자간 자리와 치환 자리를 오가는 불순물에서 Kick-out이 처음 분명해졌다. Gösele 등은 실리콘 속 Au의 격자간–치환 평형이 자기 격자간 원자를 거쳐 이루어지며, 빈자리를 쓰는 Frank–Turnbull 기구로는 자료를 설명할 수 없다고 보였다.

아래 애니메이션에서 두 기구를 직접 비교해 보자. 핵심은 하나다. 점결함이 없으면 도펀트는 움직이지 못한다.

ANIMATION

빈자리와 Kick-out: 도펀트가 자리를 옮기는 두 길

Si 격자 원자도펀트(빈자리형 Sb)도펀트(격자간형 B)빈자리 V격자간 원자 I
기구
재생
경과 단계—
도펀트 자리 이동—
출발점에서 거리—
이동 / 점결함 수—
해볼 것: ① 점결함 수를 0으로 내려 보자. 도펀트는 한 칸도 움직이지 않는다. ② 「처음부터」를 누르고 1과 4를 같은 단계 수에서 비교해 보자. 자리 이동이 두세 배로 는다. 확산 계수가 점결함 농도에 비례한다는 말의 그림이다. 이 작은 격자에서는 여러 점결함이 한 도펀트 곁에 몰려 정확히 네 배가 되지는 않는다. 빈자리 기구에서는 도펀트가 왔던 자리로 되돌아가는 일도 잦아서, 이동 횟수에 비해 출발점에서 멀어지는 거리는 천천히 는다. ③ Kick-out으로 바꾸면 도펀트가 틈(격자간 상태, 테두리 표시)에 나와 몇 칸을 빠르게 이동한 뒤 다시 격자 자리에 앉는다. (모델의 가정: 2차원 정사각 격자의 개념도, 시간은 임의 단위. 점결함이 도펀트 쪽으로 약하게 끌려 짝을 이루게 했고, 실제 다이아몬드 격자의 3차원 경로와 에너지는 다루지 않는다.)

그렇다면 도펀트마다 어느 길을 얼마나 쓸까. Plummer 등은 확산 계수를 두 길의 몫으로 나눠 쓴다.

$$D_A = D_A^{*}\left[\,f_I\,\frac{C_I}{C_I^{*}} + f_V\,\frac{C_V}{C_V^{*}}\,\right],\qquad f_I + f_V = 1$$
\(D_A^{*}\): 점결함이 평형일 때(불활성 분위기)의 확산 계수. \(f_I,\ f_V\): 격자간 기구와 빈자리 기구의 몫. \(C_I/C_I^{*}\): 격자간 원자가 평형보다 몇 배 많은지(과포화도).

뜻은 단순하다. 점결함이 평형이면 괄호 안이 1이 되어 2장의 \(D\)로 돌아간다. 격자간 원자가 늘면 \(f_I\)가 큰 도펀트가, 빈자리가 늘면 \(f_V\)가 큰 도펀트가 빨라진다. 각 도펀트의 몫은 산화(격자간 원자 주입)나 질화(빈자리 주입) 분위기에서 확산이 얼마나 빨라지거나 느려지는지를 재서 추정한다.

Si(자기 확산)BPAsSb
fI (격자간 기구)0.61.01.00.40.02
fV (빈자리 기구)0.4000.60.98

표 1. 도펀트별 격자간·빈자리 기구의 몫. Plummer 등의 강의 자료와 이를 옮긴 Portland State 강의에 같은 값이 실려 있다.

표의 값은 하나의 기준이다. Packan과 Plummer는 P를 격자간 원자의 감시자로 써서 1100 °C에서 B의 격자간 기구 몫을 0.8로 계산했고, Bracht 등은 동위원소를 층층이 쌓은 시료로 B는 주로 자기 격자간 원자를 타고 확산하며 As와 P는 두 점결함이 모두 중요하다고 보고했다. 실리콘 자신도 확산한다. 855~1388 °C의 자기 확산이 4.75 eV라는 한 가지 활성화 엔탈피로 일곱 자릿수에 걸쳐 설명되며, 이는 자기 격자간 원자가 지배한다는 뜻이다. 점결함으로 도펀트 확산을 정리한 고전 리뷰로 Fahey, Griffin, Plummer(1989)가 있다.

농도가 높으면: 외인성 확산

점결함에는 전하를 띤 것이 있다. Shockley와 Last가 처음 설명한 대로 n형 실리콘에서는 음전하를 띤 빈자리 V⁻, V⁼가, p형에서는 V⁺, V⁺⁺가 많아진다. 중성 점결함의 농도는 도핑과 무관하지만, 하전 점결함과 그에 따른 점결함 총량은 도핑에 따라 바뀐다. 도핑이 페르미 준위를 움직이고, 페르미 준위가 하전 점결함의 수를 정하는 것이다.

기준이 되는 농도는 공정 온도의 진성 캐리어 농도 nᵢ(Intrinsic carrier concentration)다. 상온의 nᵢ는 약 10¹⁰ cm⁻³이지만 1000 °C에서는 7.14×10¹⁸ cm⁻³까지 커진다. 도핑 농도가 nᵢ보다 낮으면 전자 농도가 nᵢ에 가까워 점결함이 도핑의 영향을 거의 받지 않는다. 이것이 진성 확산(Intrinsic diffusion)이고, 공정 온도의 nᵢ가 이렇게 크기 때문에 생각보다 자주 맞는다. 도핑이 nᵢ를 넘으면 외인성 확산(Extrinsic diffusion)이 되어 확산 계수가 농도를 따라 커진다. 이렇게 농도에 따라 바뀌는 확산을 농도 의존 확산(Concentration-dependent diffusion)이라 한다.

1000 °Cp 영역 (10¹⁵ cm⁻³)n 영역 (5×10¹⁹ cm⁻³)비
V⁰ (중성)4.6×10¹³4.6×10¹³1
V⁻2.37×10¹⁴1.61×10¹⁵약 6.8
V⁼1.85×10¹³8.50×10¹⁴약 46

표 2. 같은 1000 °C에서 도핑만 다른 두 영역의 빈자리 농도(cm⁻³). 앞의 두 열은 Plummer 등의 예시 표, 마지막 열은 나눠서 계산한 값이다.

n 영역의 전자 농도를 아래 식으로 계산하면 n/nᵢ ≈ 7.1이다. V⁻는 약 7배, V⁼는 그 제곱인 약 50배 가까이 늘었다. 음전하 \(r\)개짜리 빈자리 농도가 \((n/n_i)^r\)에 비례한다는 유도와 맞는다. 확산 계수도 같은 모양으로 쓴다.

$$D = D^{0} + D^{-}\frac{n}{n_i} + D^{=}\left(\frac{n}{n_i}\right)^{2},\qquad n = \frac{C}{2} + \sqrt{\left(\frac{C}{2}\right)^{2} + n_i^{2}}$$
n형 도펀트의 경우다. p형(B)은 \(D^{0} + D^{+}(p/n_i)\) 꼴이다. 각 계수는 \(D_0\exp(-E/kT)\) 꼴이고, 각 항은 그 전하 상태의 점결함과 짝을 이룬 확산의 몫으로 여겨진다. 전자 농도 식은 전하 중성 조건에서 나온다.
도펀트D⁰ (cm²/s, eV)D⁻ 또는 D⁺D⁼1000 °C, n = nᵢ일 때 합 (계산)
As0.011, 3.4431.0, 4.15—1.4×10⁻¹⁵
P3.85, 3.664.44, 4.044.2, 4.371.3×10⁻¹⁴
Sb0.214, 3.6515.0, 4.08—1.8×10⁻¹⁵
B0.05, 3.5D⁺ 0.95, 3.5—1.4×10⁻¹⁴

표 3. 전하 상태별 확산 계수의 전지수 인자와 활성화 에너지(Plummer 등의 표)와, 이 값으로 계산한 1000 °C 진성 확산 계수(cm²/s). 이 장의 시뮬레이터는 모두 이 한 표만 쓴다. Ghandhi 교재에 실린 Fair 계열의 표는 As의 D⁰를 0.066 cm²/s로 적어 Plummer 표의 0.011과 다르고, MIT 강의도 예제의 수치가 앞 슬라이드의 표와 다른 출처라고 따로 주의를 단다. 표마다 계수를 나눠 맞춘 방식이 다르므로 한 표 안에서만 값을 쓴다(원리에서 나온 해석).

MIT 강의는 Plummer 교재의 As 예를 이렇게 계산한다. 1000 °C에서 \(D_{\text{eff}} = 2.67\times10^{-16} + 1.17\times10^{-15}(n/n_i)\) cm²/s이므로, 10¹⁸ cm⁻³에서는 1.43×10⁻¹⁵, 10²⁰ cm⁻³에서는 16.6×10⁻¹⁵ cm²/s다. 같은 온도에서 농도만 100배 올렸는데 확산 계수가 10배 넘게 커진다. 표 3으로 계산해도 같은 값이 나온다.

전기장이 확산을 돕는다

또 하나의 효과가 있다. 고농도 도너가 내놓은 전자는 도펀트 이온보다 훨씬 빨라 먼저 앞쪽(깊은 쪽)으로 퍼진다. 그러면 뒤에 남은 양이온과 앞서 간 전자 사이에 전기장이 생기고, 이 전기장이 도펀트 이온을 앞으로 끌어당긴다. 농도가 nᵢ보다 높을 때 중요해지는 이 효과를 전기장 증속 확산(Field-enhanced diffusion)이라 하며, 플럭스에 계수 \(h\)를 곱해 나타낸다.

$$J = -\,h\,D\,\frac{\partial C}{\partial x},\qquad h = 1 + \frac{C}{\sqrt{C^{2} + 4n_i^{2}}}$$
\(C \ll n_i\)이면 \(h \to 1\), \(C \gg n_i\)이면 \(h \to 2\)다. 최대 두 배다. 계산하면 \(C/n_i\) = 1에서 1.45, 10에서 1.98이다.

Plummer 등이 보여 준 1000 °C SUPREM 예에서 As는 \(h\)가 약 2였고, As가 만든 전기장이 근처 B의 분포까지 좌우했다.

Source/Drain 옆의 B는 전기장이 정한다

Portland State 강의는 위 SUPREM 예를 이렇게 풀이한다. As가 만든 전기장이 농도가 낮은 B를 n⁺ 영역 쪽으로 끌어당겨 접합 근처의 B를 공핍시킨다. 이런 전기장 효과는 MOS 소자의 Source/Drain 근처 도핑 분포를 지배할 수 있다. 같은 열처리라도 고농도 n⁺ 옆에 있는 p형 영역은 따로 떨어진 p형 영역과 다르게 움직일 수 있다는 뜻이다. 그래서 이런 접합 근처의 분포는 도펀트 하나의 확산 계수로 손 계산하기보다 전기장과 농도 의존 확산을 함께 넣은 공정 시뮬레이션으로 보아야 한다(원리에서 나온 해석). Plummer 등이 보인 예도 이런 효과를 넣은 SUPREM 계산이다.

상자형 분포: As

D가 농도에 비례하면 어떤 분포가 생길까. 표면 쪽 고농도 영역은 빨리, 깊은 쪽 저농도 영역은 느리게 확산하므로 표면에서 들어온 원자가 앞쪽으로 계속 밀려와 쌓이다가 저농도 앞면에서 갑자기 멈춘 듯한 모양이 된다. 결과는 erfc보다 가파른 상자 모양이다. Portland State 강의는 일정 표면 농도 조건에서 D가 농도 N, N², N³에 비례할 때 분포가 0으로 떨어지는 깊이를 다음과 같이 정리한다.

$$x_j = K\sqrt{D_s\,t},\qquad K = 1.616\ (D\propto N),\ \ 1.092\ (D\propto N^{2}),\ \ 0.872\ (D\propto N^{3})$$
\(D_s\): 표면 농도에서의 확산 계수. 이 장의 수치 풀이(DF.diffuse1D)로 같은 조건을 계산하면 \(K\) = 1.62, 1.09, 0.87이 나온다.

CityU 강의도 고농도 As의 접합 깊이를 \(x_j \approx 1.6\sqrt{D_s t}\)로 쓰고, As와 B의 고농도 분포가 erfc보다 상자에 가까워 As가 얕은 n⁺ 영역에 쓰인다고 설명한다.

꺾임과 꼬리: P

P를 고농도로 확산하면 표면 쪽은 가파르게 떨어지다가 약 10²⁰ cm⁻³에서 꺾이고, 그 아래로 긴 꼬리가 깊이 뻗는다. 고전적인 설명은 빈자리 쌍으로 한다. 고농도에서는 P⁺V⁼ 쌍이 주를 이뤄 \(D\propto N^2\)의 가파른 분포를 만들고, 농도가 떨어져 페르미 준위가 내려가는 곳에서 쌍이 풀리며 내놓은 빈자리가 꼬리를 빠르게 한다. 지금의 설명은 격자간 원자를 강조한다. P는 격자간 원자와 함께 확산하다가 깊은 곳에 격자간 원자를 내놓아 꼬리 영역의 확산 계수를 키운다. P 이미터 아래의 B 베이스가 함께 밀려 내려가는 Emitter push(이미터 밀림)도 같은 기구로 설명된다. TSUPREM-4 계산에서도 같은 깊이까지 확산한 P가 As보다 격자간 원자 과포화를 더 크게 만들었다. Bracht 등은 양으로 하전된 격자간 P가 꼬리 모양을 크게 좌우한다고 보고했다. 빈자리 설명은 역사적인 모델로, 격자간 원자 설명은 현재의 모델로 읽는 것이 좋다(원리에서 나온 해석).

아래 시뮬레이터에서 세 가지를 비교해 보자. D가 일정한 2장의 erfc, D(n/nᵢ)와 전기장을 넣은 As, 그리고 (n/nᵢ)² 항이 큰 P다. P에는 꼬리에서 확산이 빨라지는 효과를 학습용 손잡이 s로 따로 넣었다. 아래쪽 띠 그래프는 깊이마다 확산 계수가 진성 값의 몇 배인지 보여 준다. 분포 모양의 원인이 바로 이 띠에 있다.

SIMULATOR

농도가 확산 계수를 바꾸면: erfc, As 상자형, P 꺾임과 꼬리

도펀트
확산 계수
모델 분포 (As, P)erfc (D = 진성 값으로 일정)D/Dᵢ (아래 띠)ni (1000 °C)배경 농도 10¹⁷ (접합)
접합 깊이 xj—
erfc의 xj—
표면 Ds / Di—
표면의 h—
접합 기울기—
상자 공식 xj—
해볼 것: ① 「일정 (2장)」에서 Cs를 10¹⁹ → 10²⁰으로 올려 보자. erfc는 높이만 올라가고 xj는 조금만 깊어진다. 같은 일을 「D(n/nᵢ) + 전기장」에서 하면 아래 띠의 D가 표면 쪽에서 크게 올라가며 분포가 상자 모양으로 바뀌고 xj가 훨씬 깊어진다. ② Cs를 ni(보라 선) 아래로 내리면 두 모델이 거의 같아진다. 진성 확산이다. ③ P를 고르고 꼬리 증속 s를 10, 30으로 올려 보자. 10²⁰ cm⁻³ 아래에서 꺾임이 생기고 꼬리가 길게 뻗으며 접합 기울기가 완만해진다. (모델의 가정: 1000 °C 고정(nᵢ = 7.14×10¹⁸ cm⁻³는 이 온도에서만 확인한 값), 일정 표면 농도, 전자 농도는 전하 중성 식, D는 표 3의 Plummer 값에 전기장 계수 h를 곱함, 배경은 p형 10¹⁷ cm⁻³. 클러스터·고용도 한계·산화·주입 손상은 넣지 않았다. P의 꼬리 증속은 학습용으로, 10²⁰ cm⁻³ 아래에서 D⁰ 항만 s배 한다. 접합 기울기는 농도가 10¹⁸에서 10¹⁷ cm⁻³로 열 배 줄어드는 거리다. 「상자 공식」은 K√(Dst)로, As는 K = 1.616(D ∝ N), P는 K = 1.092(D ∝ N²)를 쓰며 Cs가 ni의 세 배를 넘을 때만 보여 준다.)

시뮬레이터의 근거: 확산 계수 식과 전하 상태별 값, 전기장 계수, 1000 °C의 nᵢ와 전자 농도 식, 상자형 분포의 계수와 P의 꺾임 농도. 수치 풀이는 이 책의 계산 엔진(명시적 유한 차분)이다.

PREDICT

표면 농도를 10배 올리면 As 접합은?

1000 °C에서 60분 동안 As를 일정 표면 농도로 확산한다. 표면 농도를 10¹⁹ cm⁻³에서 10²⁰ cm⁻³로 10배 올리면 접합 깊이(배경 10¹⁷ cm⁻³)는 어떻게 될까?
답을 고르면 10²⁰ cm⁻³의 분포가 함께 그려진다.

이제 배운 것을 써서 직접 접합을 설계해 보자. 얕으면서 가파른 n⁺ 접합은 Source/Drain의 기본 요구다. 접합 깊이는 열 예산으로 맞추지만, 가파름은 분포의 모양이 정한다.

CHALLENGE

얕고 가파른 n⁺ 접합을 만들어라

도펀트
직접 입력×10¹⁹ cm⁻³
직접 입력분
문제를 읽고 도펀트, 표면 농도, 시간을 정한 뒤 「확산하기」를 누른다.
표면 Ds (cm²/s)—
상자 공식 추정 xj—
실제 xj—
접합 기울기—
점수0 / 0
조건: 접합 깊이가 목표의 ±12% 안에 들고, 문제가 정한 다른 조건(도펀트, 표면 농도, 기울기, 시간)을 모두 지키면 성공이다. 「상자 공식 추정」은 값을 바꿀 때마다 바로 바뀌는 계산 도우미(Cs가 ni의 세 배를 넘을 때만)이고, 「실제 xj」는 수치 풀이 결과다. 둘은 보통 10~20% 다르다. 막히면 「힌트」를 누르자. 누를 때마다 한 단계씩 더 알려 준다. (가정: 위 시뮬레이터와 같은 모델, 1000 °C, p형 배경 10¹⁷ cm⁻³, P의 꼬리 증속은 끔(s = 1). As의 활성 한계 2×10²⁰ cm⁻³와 B·P·As 고용도가 5×10²⁰ cm⁻³를 넘는다는 값으로 표면 농도의 한계를 정했다. 「10분 이상」 같은 시간 조건은 연습용 문제 조건이다.)

산화가 확산을 바꾼다: OED와 ORD

표면을 산화하면서 열처리하면 같은 온도, 같은 시간인데도 도펀트가 다르게 움직인다. MIT 강의는 표면을 산화할 때 B와 P는 더 빨리, Sb는 더 느리게 확산한다는 관찰을 소개한다. 앞의 것을 산화 증속 확산(OED, Oxidation-enhanced diffusion), 뒤의 것을 산화 감속 확산(ORD, Oxidation-retarded diffusion)이라 한다. 먼저 예측부터 해 보자.

PREDICT

산화하면 누가 느려질까?

같은 온도에서 질소 대신 산소를 흘려 표면을 산화하며 열처리한다. 산화는 실리콘 속에 격자간 원자를 늘린다. B, P, As, Sb 가운데 확산이 오히려 느려지는 도펀트는? (2절의 표 1을 떠올려 보자.)
답을 고르면 도펀트별 확산 배율이 그려진다.

왜 산화가 격자간 원자를 만들까. 실리콘이 SiO₂가 되면 부피가 약 2.2배로 늘어난다. 늘어날 자리, 곧 "자유 부피"가 필요하므로 산화는 계면에서 실리콘 격자간 원자를 실리콘 쪽으로 내보내고 빈자리를 소모한다. Hu는 산화 반응이 약 10⁻³만큼만 덜 이루어져도 격자간 원자가 생기며, 같은 원인이 산화 적층 결함과 OED를 함께 설명한다고 보았다. 이 적층 결함은 (111) 면을 따라 생긴다. 늘어난 격자간 원자는 몸체에서 빈자리와 만나 재결합하므로 빈자리는 오히려 줄어든다. 질화는 정반대로 빈자리를 주입한다.

이제 2절의 식에 넣어 보자. 격자간 원자의 과포화도를 \(s = C_I/C_I^{*}\)로 쓰고, 격자간 원자와 빈자리가 충분히 빨리 재결합해 \(C_I C_V = C_I^{*}C_V^{*}\)를 유지한다고 가정하면 \(C_V/C_V^{*} = 1/s\)가 된다. 이 가정은 학습용이지만, Tan과 Ginsberg가 (100) 웨이퍼의 Sb 감속을 설명할 때 쓴 "I와 V가 평형을 이루며 공존한다"는 그림과 같은 생각이다.

$$\frac{D_A}{D_A^{*}} = f_I\,s + \frac{f_V}{s}$$
\(f_I\) = 1인 B·P는 정확히 \(s\)배 빨라지고, \(f_V\) ≈ 1인 Sb는 거의 \(1/s\)배로 느려진다. \(s < 1\)(질화)이면 반대다.
SIMULATOR

격자간 원자가 넘치면: 도펀트마다 다른 OED와 ORD

예시 값으로 놓기
Si 자기 확산BP (B와 같은 선, 점선)AsSb
B, P: D/D*—
As: D/D*—
Sb: D/D*—
Si: D/D*—
B 접합 깊이 배율—
Sb 접합 깊이 배율—
해볼 것: ① 「P ×15」를 누르자. fI = 1인 P가 정확히 15배가 된다. Packan과 Plummer가 900 °C, 30분 건식 산화에서 잰 P의 증속 크기다. 같은 s에서 Sb는 약 0.37배로 느려진다(계산). ② s를 천천히 올려 보자. Sb는 s ≈ 7에서 가장 느려지고(약 0.28배), s가 49를 넘으면 다시 빨라진다(계산). fI = 0.02의 작은 몫이 결국 이기는 것이다. ③ 「질화 예」로 s를 1 아래로 내리면 B·P는 느려지고 Sb가 빨라진다. (모델의 가정: CI·CV = CI*·CV*를 유지할 만큼 재결합이 빠르다는 학습용 가정, 표 1의 fI는 온도와 무관하다고 둠, 접합 깊이 배율은 확산 길이의 비 √(D/D*)로 계산. 실제 s는 온도·시간·산화 속도에 따라 바뀌므로 여기의 s는 손잡이일 뿐이다.)

시뮬레이터의 근거: DA/DA* 식과 fI 값, 산화가 CI를 올리고 CV를 내린다는 점, P의 15배, Sb의 증속과 감속 관찰.

실제 크기는 얼마나 될까. Packan과 Plummer는 900·1000·1100 °C 건식 산화에서 5분~4시간을 재어, 900 °C 30분 산화에서 P 확산이 불활성 분위기의 15배가 됨을 보였다. B와 P의 증속은 온도가 높을수록, 산화가 길어질수록 줄었다. Hu는 오래, 뜨겁게 산화하면 과포화가 \(t^{-n}\)(n ≈ 0.2~0.3)으로 줄고, 짧게, 낮은 온도로 산화하면 0에서 시작해 산화 속도가 정하는 특성 시간까지 커진다고 분석했다. Tan과 Gösele는 아주 높은 온도에서 오래 산화하면 계면이 격자간 원자의 공급원에서 흡수원으로 바뀔 수 있다고 제안했다. Tan과 Ginsberg는 1160 °C 건식 산화에서 Sb의 증속과 감속을 모두 관찰했다. In도 1000 °C에서 B·P·As처럼 뚜렷한 OED를 보였다. 공정 시뮬레이션에서 산화 중의 \(C_I/C_I^{*}\)와 \(C_V/C_V^{*}\) 분포는 깊이에 따라 비교적 평평한데, 산화가 "단단한 공급원(stiff source)"처럼 행동한다는 뜻이다. 정리하면 \(s\)는 상수가 아니라 온도, 시간, 산화 속도의 함수다.

같은 열처리인데 산화막 창 아래만 깊어진다

OED는 웨이퍼 전체에 고르게 생기지 않는다. 산화가 일어나는 곳에서 격자간 원자가 나오기 때문이다. ATHENA 공정 시뮬레이션 예에서도 산화되는 영역 아래는 OED가, 질화막(Si₃N₄)으로 덮인 영역 아래는 불활성 확산이 나타난다. Taniguchi와 Antoniadis는 Si₃N₄/SiO₂ 마스크 아래에서 P의 OED가 산화 영역 가장자리부터 거의 지수적으로 줄어들고, 그 감쇠 길이가 \(\sqrt{t}\)에 비례하며 활성화 에너지가 2 eV임을 보였다. 그러니 열처리 중에 산화가 함께 일어나는 공정에서는 "레시피의 온도와 시간이 같다"가 "접합 깊이가 같다"를 보장하지 않는다(원리에서 나온 해석). 확인은 같은 웨이퍼에 넣은 매몰 표지층(Buried marker layer)이나 불활성·산화 분위기를 나눈 비교 실험으로 한다. 산화 적층 결함과 확산하는 도펀트가 격자간 원자의 "검출기" 역할을 한다.

같은 온도에서 산화하면 B와 Sb의 확산이 반대로 움직이는 이유를 원인 → 결과 → 확인으로 잇기

아래 세 고리를 근거와 함께 이어서 설명할 수 있는지 스스로 점검해 보자.

  1. 원인. 산화는 부피 팽창에 필요한 자유 부피를 얻으려고 계면에서 실리콘 격자간 원자를 내보내고 빈자리를 소모한다. 몸체에서는 늘어난 격자간 원자가 빈자리와 재결합해 \(C_I/C_I^{*}\)는 오르고 \(C_V/C_V^{*}\)는 내려간다.
  2. 결과. 확산 계수는 \(D_A^{*}[f_I(C_I/C_I^{*}) + f_V(C_V/C_V^{*})]\)이다. B는 \(f_I\) ≈ 1이라 빨라지고, Sb는 \(f_V\) ≈ 0.98이라 느려진다. MIT 강의는 Sb가 빈자리로만 확산하고 산화가 만든 격자간 원자가 빈자리와 재결합해 Sb 확산을 억제한다고 설명한다. 크기의 예로 900 °C 30분 건식 산화에서 P(\(f_I\) = 1)는 15배가 되었다.
  3. 확인. 같은 열처리를 질소와 산소 분위기로 나눠 하고, 매몰 표지층이나 SIMS 분포로 이동 거리를 비교한다. 질화 분위기에서는 반대로 Sb가 빨라지고 B가 느려져야 한다. 산화 적층 결함의 성장도 격자간 원자 과포화의 증거가 된다. B만 빨라지고 Sb에 변화가 없다면 과포화가 작거나, 산화 시간과 온도에 따라 증속이 줄어드는 영역인지 따져 본다.

주입 손상과 TED

이온 주입 직후의 첫 열처리에서도 확산이 크게 빨라진다. 이 현상을 일시적 증속 확산(TED, Transient enhanced diffusion)이라 한다. IMP Book 6장 「결함이 도펀트를 밀어낸다: TED」에서 시뮬레이터와 함께 자세히 다뤘으니, 여기서는 이 장의 언어인 점결함과 \(f_I\)로 요약한다. 4절의 OED가 "표면에서 격자간 원자를 주입"하는 것이라면, TED는 "주입 손상이 몸체 안에 격자간 원자를 쌓아 두는" 것이다.

fI만 믿으면 틀린다: B와 P의 TED 비교

표 1에서 B와 P는 둘 다 \(f_I\) = 1이다. 그렇다면 같은 격자간 원자 과포화에서 같은 배율로 빨라져야 할까. Xu 등은 Si 5×10¹³ cm⁻², 80 keV로 손상만 만든 시료에서 B와 P의 TED를 나란히 쟀다. 800 °C의 짧은 시간에 P의 증속은 B보다 대략 한 자릿수 컸고, 긴 시간에는 그보다 조금 작았다. 격자간 기구 몫만으로 따지면 두 도펀트의 차이는 25% 정도여야 했다. 이들은 B의 증속을 \(C_I/C_I^{*}\)와 같다고 놓는 것은 위험하다고 결론지었다. 같은 실험에서 전위 루프는 1000 °C에서 주입 Dose의 약 2.5배, 800 °C에서 약 1.4배의 격자간 원자를 붙잡아 "+1"보다 많았고, 800 °C에서 2×10¹⁸ cm⁻³보다 진한 B는 클러스터로 묶여 움직이지 않았다. 표 1과 4절의 식은 방향을 잡는 데 쓰는 첫 모델이고, 크기는 실험과 보정된 시뮬레이터로 확인해야 한다(원리에서 나온 해석).

TED는 소자 특성에도 바로 드러난다. Source/Drain 주입이 만든 과잉 격자간 원자가 채널 쪽으로 퍼지면 채널의 B를 표면 쪽으로 밀어 올린다. 그 결과 문턱 전압이 채널 길이에 따라 달라지는 역 단채널 효과(Reverse short channel effect)가 생기고, 소자가 작을수록 심해진다. 함께 넣는 원소도 영향을 준다. Noda는 1 keV, 3×10¹⁴ cm⁻²의 얕은 B 주입 뒤 F를 1×10¹⁴ cm⁻² 미만으로 넣으면 B의 TED가 줄거나 커지지 않았지만, 6×10¹⁴ cm⁻²를 넣으면 750 °C에서 B TED가 약 2.6배로 커지고 120분 동안 이어졌다고 보고했다. 탄소 공동 주입이나 PAI 같은 TED 대책은 IMP Book 6장 「활성화의 한계와 대책」에 정리되어 있다.

경계에서 생기는 일: 분리, 고용도, 빠른 확산 불순물

분리 계수

두 물질이 맞닿은 계면에서 도펀트는 양쪽에 같은 농도로 있지 않고, 각 물질에 얼마나 잘 녹는지의 비로 나뉜다. Si/SiO₂ 계면에서 이 비를 분리 계수(Segregation coefficient) \(m\)이라 한다.

$$m = \frac{\text{계면의 Si 쪽 농도}}{\text{계면의 SiO}_2\text{ 쪽 농도}}$$
\(m > 1\)이면 산화막이 도펀트를 실리콘 쪽으로 밀어내고, \(m < 1\)이면 산화막이 도펀트를 가져간다.
도펀트m산화 중 실리콘 표면
B0.1~0.3 (약 0.3)빠져나간다(공핍)
P, As, Sb약 10쌓인다(Pile-up)
Ga20산화막 속 확산이 빨라 빠져나간다

표 4. 분리 계수. Hollauer 학위논문의 표와 Portland State 강의의 값. 오른쪽 열은 Grove 등의 관찰과 Campbell 교재 그림 설명의 분류다.

Grove, Leistiko, Sah는 열산화 중에 Ga, B, In은 실리콘에서 빠져나가고 P, Sb, As는 계면에 쌓이며(Pile-up(쌓임)), 재분포가 계면의 분리와 불순물이 산화막을 지나 빠져나가는 정도에 함께 달려 있음을 보였다. Campbell 교재의 그림 설명은 이를 네 경우로 나눈다. (A) 산화막 속 확산이 느리고 \(m < 1\): 중성·산화 분위기의 B, (B) 산화막 속 확산이 빠르고 \(m < 1\): H₂ 분위기의 B, (C) 느리고 \(m > 1\): P, As, (D) 빠르고 \(m > 1\): Ga.

산화막이 자라면 계면이 실리콘 쪽으로 움직인다. 산화막 두께의 약 0.44배만큼 실리콘이 소모되므로, 계면은 소모된 실리콘에 있던 도펀트를 \(m\)에 맞춰 나눈다. 그런데 새로 생긴 산화막은 소모된 실리콘보다 약 2.2배 두껍다. 그래서 \(m = 1\)이어도 산화막 속 농도가 대략 절반으로 묽어지면서 실리콘 쪽이 공핍된다. 계면에서 들고 나는 양을 맞춰 쓰면 아래 경계 조건이 된다. Plummer 등은 계면 플럭스를 \(F = h(C_A - C_B/k_0)\)로 쓰는데, 이 장의 모델은 \(h\)가 아주 커서 계면이 늘 분리 평형에 있다고 놓은 경우다.

$$D\,\frac{\partial C}{\partial x}\bigg|_{\text{계면}} = C_s\,v\left(\frac{1}{0.44\,m} - 1\right)$$
\(C_s\): 계면의 Si 쪽 농도, \(v\): 계면이 실리콘 속으로 움직이는 속도(소모 속도), 0.44: 산화막 두께당 소모되는 Si 두께. 물질 수지에서 이끈 학습용 식이다. 괄호가 양수(\(m\) < 약 2.3)이면 기울기가 양수라 표면이 공핍되고, 음수이면 쌓인다. 계산하면 \(m = 1/0.44 \approx 2.3\)일 때 재분포가 없다.
SIMULATOR

자라는 산화막 앞에서: B는 빠지고 P는 쌓인다

SiO₂ 속 농도(만들어질 때 고정)Si 속 농도처음 농도 CB
도펀트
산화 분위기
산화막 두께—
소모된 Si—
계면의 Cs/CB—
확산 길이 2√(Dt)—
산화막이 가져간 양—
해볼 것: ① B와 P를 번갈아 골라 보자. B는 계면에서 처음 농도의 20% 아래로 빠지고, P는 몇 배로 쌓인다. 「산화막이 가져간 양」은 소모된 Si에 원래 있던 양의 몇 배를 산화막이 가져갔는지다. ② m 손잡이를 2.3 근처로 옮겨 보자. 계면 농도가 처음 농도와 거의 같아진다(계산). m = 1에서도 B처럼 공핍된다는 점이 핵심이다. ③ 같은 m에서 습식과 건식, 900 °C와 1100 °C를 비교해 보자. 계면이 빨리 움직이고(습식) 확산이 느릴수록(낮은 온도) 공핍과 쌓임이 표면 가까이에 몰려 더 뾰족해진다. (모델의 가정: 처음 농도가 고른 기판, 진성 확산 계수(B 1.0 cm²/s·3.46 eV, P 4.70·3.68, As 9.17·3.99), 산화막 성장은 (100) Deal–Grove(초기 산화막 없음), 산화막 속 확산은 무시(Campbell 분류의 A·C 경우), 계면은 늘 분리 평형, OED는 넣지 않았다. 건식의 얇은 영역은 Deal–Grove가 실제보다 얇게 예측한다. 산화막 쪽은 축척을 줄여 그렸다.)

시뮬레이터의 근거: 분리 계수, Si 소모 비 0.44, Deal–Grove 상수(건식·습식, (111) 값에서 B/A를 1.68로 나눠 (100)으로). 4장에서 Deal–Grove 모델을 자세히 다룬다.

Plummer 등의 SUPREM 예도 같은 그림을 보여 준다. B로 고르게 도핑한 기판을 산화하면 B가 자라는 SiO₂ 쪽으로 빠져나가고, n형 도펀트는 쌓인다. 표면 B가 줄면 그 위에 만들 MOS 구조의 문턱 전압이나 표면 누설에 영향을 줄 수 있으므로, 산화 뒤 표면 농도는 처음 웨이퍼의 도핑과 다르다고 보고 계산해야 한다(원리에서 나온 해석).

얕은 접합에서는 계면이 Dose를 먹는다

분리는 산화막 두께만큼의 넓은 영역에서만 일어나지 않는다. Plummer 등은 도펀트가 단층 정도 두께의 계면층에 분리되어 쌓일 수 있고, 이렇게 계면에서 잃거나 쌓이는 양이 얕은 층 Dose의 최대 50%에 이를 수 있다고 정리한다. 이들이 소개한 실험에서는 As 1×10¹⁵ cm⁻²를 넣은 시료를 1050 °C에서 30초 RTA했더니 Dose가 6.8×10¹⁴ cm⁻²로, 약 40% 줄었다. 접합이 얕을수록 계면 가까이에 있는 도펀트의 비율이 커지므로 이 손실이 면저항에 직접 드러난다(원리에서 나온 해석). 주입 Dose와 열처리 뒤 SIMS 적분 Dose를 비교하면 이런 손실을 확인할 수 있다.

산화막 속 확산: 게이트 산화막을 뚫는 B

SiO₂는 B, P, As, Sb 같은 흔한 불순물을 막는 마스크로 쓰인다. 그런데 막이 아주 얇아지면 이야기가 달라진다. Hollauer는 2 nm보다 얇은 SiO₂에서 도펀트 침투가 커지는 문제가 게이트 절연막으로서 SiO₂의 한계로 꼽혔고, 질소가 p⁺ 다결정 실리콘 게이트로부터의 B 침투를 억제한다고 정리한다.

BF₂의 F가 B를 게이트 산화막 너머로 밀어 넣는다

p⁺ 다결정 실리콘 게이트를 BF₂⁺ 주입으로 도핑하면 B와 함께 F도 들어간다. Aoyama 등은 p⁺ 다결정 실리콘에서 얇은 산화막을 지나 기판으로 들어가는 B를 SIMS로 쟀다. 산화막 속 B의 확산 계수는 F Dose마다 Arrhenius를 따랐고, F가 없을 때보다 F 1×10¹⁵ cm⁻²에서 5배, 1×10¹⁶ cm⁻²에서 30배 컸다. 산질화막에서도 같은 증가가 있었다. 기판까지 들어간 B는 채널 도핑을 바꿔 문턱 전압을 옮긴다(원리에서 나온 해석). 대책은 질소다. NO 어닐로 질화한 산화막은 B 침투를 크게 억제해 미세 소자에서도 BF₂⁺를 쓸 수 있게 했다. 질소는 게이트 쪽 계면에 두어 B 침투를 막는 데 쓰인다. 침투의 직접 증거는 기판 쪽 B의 SIMS 분포이고, 전기적으로는 문턱 전압의 이동으로 드러난다(원리에서 나온 해석).

고용도와 전기적 활성

고농도 확산에는 위쪽 한계가 있다. 일정 표면 농도 확산의 표면 농도는 도펀트가 실리콘에 녹아 들어갈 수 있는 최대 농도인 고용도(Solid solubility)가 정한다. B, P, As의 고용도는 800~1200 °C에서 5×10²⁰ cm⁻³를 넘고, 950 °C의 B는 2.5×10²⁰ cm⁻³다. Plummer 등의 그림은 고용도 곡선을 위에서부터 As, P, B, Sb 순으로 보여 준다. 그런데 녹아 있다고 모두 전자를 내놓는 것은 아니다. 도펀트에는 고용도와 다른 "전기적 고용도"가 있을 수 있다. As는 고용도가 2×10²¹ cm⁻³이지만 전기적으로 활성인 최대 농도는 2×10²⁰ cm⁻³이고, As₄V 같은 복합체가 비활성 형태의 하나로 꼽힌다. 그래서 SIMS로 잰 화학적 농도와 면저항·확산 저항으로 본 전기적 농도가 고농도 영역에서 갈라질 수 있다(원리에서 나온 해석). 5절의 움직이지 않는 B 피크도 같은 이야기의 다른 얼굴이다.

빠른 확산 불순물과 게터링

2절에서 본 대로 격자간 자리로 움직이는 원자는 치환형 도펀트보다 훨씬 쉽게 뛴다. Co, Cu, Au, Fe, Ni, Pt, Ag 같은 금속은 치환 자리와 격자간 자리를 오가는 무리로 분류된다. 이런 원소를 빠른 확산 불순물(Fast diffuser)이라 한다. Weber는 3d 전이 금속이 평형에서 주로 격자간 자리에 있고, 원자 번호가 클수록 확산 계수와 고용도가 뚜렷이 커진다고 정리했다. Plummer 등의 그림에서 Cu, Au, Fe, Cr, Pt의 확산 계수는 B, P, As와 실리콘 자기 확산보다 훨씬 위에 있다.

숫자로 보자. Istratov 등은 격자간 Cu의 확산 장벽을 0.18 ± 0.01 eV로 쟀다. Lindroos 등은 Ni의 확산 계수를 \(D_{\text{Ni}} = 1.69\times10^{-4}\exp(-0.15\ \text{eV}/kT)\) cm²/s로 새로 쟀다. 이 식으로 1000 °C에서 1분 동안의 확산 길이 \(\sqrt{Dt}\)를 계산하면 약 0.5 mm다. 같은 조건의 P는 표 3의 값으로 약 9 nm다. 5만 배 넘게 차이 나는 셈이다(계산). 도펀트가 몇 nm 움직이는 짧은 열처리 한 번에 금속은 웨이퍼 두께 방향으로 수백 µm를 갈 수 있다는 뜻이다(계산에서 나온 해석). 결정 결함도 길이 된다. 전위나 결정립계를 따라가는 확산은 몸체보다 1000배 넘게 빠르다.

그래서 금속 오염은 막는 것만큼 모으는 것이 중요하다. 게터링(Gettering)은 금속을 소자 영역 밖의 포획 자리로 옮겨 가두는 일이다. Plummer 등은 게터링이 금속은 실리콘 속에서 매우 빨리 확산하고 포획 자리로 분리된다는 두 사실에 기대며, 금속을 움직이게 하고, 포획 자리로 옮기고, 붙잡는 세 단계로 이루어진다고 설명한다. 첫 단계는 흔히 \(\text{Au}_S + \text{Si}_I \rightleftharpoons \text{Au}_i\) 같은 Kick-out으로 일어난다. 포획 자리는 웨이퍼 몸체의 SiO₂ 석출물(내부 게터링)이나 뒷면 손상(외부 게터링)으로 만들고, 알칼리 이온은 위쪽의 PSG나 Si₃N₄ 층으로 막는다. Jaeger도 게터링이 Cu, Au, Fe, Ni 같은 빠른 확산 금속을 없애는 공정이라고 정리한다.

ppb 수준의 금속이 소자를 바꾼다

금속 오염이 왜 그렇게 엄격하게 관리되는지는 Plummer 등의 두 예가 잘 보여 준다. 10 nm 산화막의 MOS에서는 산화막 속 전하 6.5×10¹¹ cm⁻²가 문턱 전압을 0.1 V 옮기는데, 이는 단층의 0.1%가 안 되는 양이다. DRAM이 수 ms의 재생 시간을 가지려면 생성 수명이 약 25 µs여야 하고, 그러려면 결함 준위 농도가 약 10¹² cm⁻³, 곧 약 0.02 ppb 아래여야 한다. 문헌의 확산 계수를 쓸 때는 조건도 확인해야 한다. Istratov 등은 널리 쓰이던 Cu의 Hall–Racette 식이 B를 많이 도핑한 Si에서의 유효 확산 계수라 다른 조건으로 늘려 쓰면 안 된다고 지적했고, Ni도 오래 쓰인 \(2.3\times10^{-3}\exp(-0.47\ \text{eV}/kT)\) cm²/s 대신 1150 °C 아래에서 더 큰 새 값이 제시되었다. 같은 금속이라도 출처와 조건에 따라 확산 계수가 달라질 수 있으니, 값을 쓸 때는 측정 조건을 함께 적는다(원리에서 나온 해석). 금속 오염의 증상과 확인 방법은 11장에서 이상 분석의 관점으로 다시 다룬다.

핵심 정리

  1. Fick 법칙의 erfc·Gaussian은 D가 일정하다는 가정에서 나온다. 실제 확산 계수는 국소 점결함 농도에 비례하고, 점결함은 온도·페르미 준위·주입 손상·산화에 따라 바뀐다.
  2. 치환형 도펀트는 빈자리(A + V ⇌ AV)나 격자간 원자(A + I ⇌ AI, Kick-out)와 짝을 지어야 움직인다. 격자간 기구 몫 fI는 B·P 1.0, As 0.4, Sb 0.02, Si 0.6이다.
  3. 1000 °C의 nᵢ는 7.14×10¹⁸ cm⁻³다. 도핑이 이보다 높으면 하전 빈자리가 늘어 D = D⁰ + D⁻(n/nᵢ) + D⁼(n/nᵢ)²로 커지고, 전기장이 D를 최대 두 배 더 키운다.
  4. D가 농도를 따라 커지면 분포가 erfc보다 가파른 상자가 된다(xj = 1.616√(Dst), D ∝ N). 고농도 P는 약 10²⁰ cm⁻³에서 꺾이고 꼬리가 깊이 뻗는다.
  5. 산화는 격자간 원자를 주입하고 빈자리를 줄인다. D/D* = fIs + fV/s에 따라 B·P는 빨라지고(900 °C 30분 산화에서 P ×15) Sb는 느려진다. 질화는 그 반대다.
  6. TED는 주입이 남긴 과잉 격자간 원자("+1")가 만드는 일시적 OED다. 800 °C에서 100배 이상, 800 °C 약 45분·1000 °C 약 1초 동안 이어진다.
  7. 분리 계수 m이 산화 중 재분포를 정한다. B(0.1~0.3)는 공핍, P·As·Sb(약 10)는 쌓인다. 산화막이 소모된 Si보다 두꺼워 m = 1이어도 공핍된다.
  8. Cu, Ni 같은 금속은 격자간 자리로 빠르게 확산해(Cu 장벽 0.18 eV) 짧은 열처리에도 멀리 간다. 그래서 게터링으로 포획 자리에 모은다. 얇은 게이트 산화막에서는 F가 B 침투를 키우고 질소가 막는다.

확인 퀴즈

1. 1000 °C에서 실리콘의 평형 빈자리 농도는 10¹³ cm⁻³ 수준으로 아주 적다. 그런데도 치환형 도펀트의 확산을 이야기할 때 빈자리가 중요한 이유는?

치환형 원자는 비어 있는 이웃 자리가 있어야 건너뛸 수 있다. 그래서 확산은 도펀트와 점결함의 짝짓기로 일어나고, 확산 계수는 대체로 국소 점결함 농도에 비례한다. 애니메이션에서 점결함 수를 0으로 하면 도펀트가 멈추는 것이 그 그림이다. 점결함과 확산 메커니즘

2. 1000 °C에서 As를 표면 농도 10²⁰ cm⁻³로 확산했다. 분포가 erfc보다 가파른 상자 모양이 되는 가장 직접적인 이유는?

1000 °C의 nᵢ = 7.14×10¹⁸ cm⁻³보다 훨씬 진하면 D = h[D⁰ + D⁻(n/nᵢ)]가 표면 쪽에서 10배 넘게 커진다. 고농도 영역은 빨리, 저농도 앞면은 느리게 확산해 앞면이 가팔라진다. D ∝ N이면 xj = 1.616√(Dst)다. 시뮬레이터로 돌아가기

3. 웨이퍼를 질화 분위기(빈자리 주입)에서 열처리했다. B와 Sb의 확산은 불활성 분위기와 비교해 어떻게 될까?

질화는 산화의 정반대로 빈자리를 늘리고 격자간 원자를 줄인다(s < 1). fI ≈ 1인 B는 격자간 원자가 줄어 느려지고, fV ≈ 0.98인 Sb는 빈자리가 늘어 빨라진다. OED 시뮬레이터에서 「질화 예」 눌러 보기

4. 같은 B 주입 웨이퍼를 800 °C 퍼니스 45분과 1000 °C 수 초 RTA로 열처리했다. TED로 더 깊어지기 쉬운 쪽과 그 이유는?

TED의 감쇠 시간은 800 °C 약 45분, 1000 °C 약 1초다. 감쇠의 활성화 에너지가 확산보다 커서, 뜨거울수록 증속이 끝나기 전까지 움직이는 거리가 짧다. 과잉 격자간 원자의 수는 "+1"로 Dose가 정하지만 그 효과가 이어지는 시간은 온도가 정한다. 주입 손상과 TED

5. B로 고르게 도핑한 웨이퍼를 습식 산화했다. 산화 뒤 Si 표면의 B 농도는 어떻게 될까?

m = (Si 쪽 농도)/(SiO₂ 쪽 농도)가 1보다 작은 B는 산화막이 가져가고, 산화막이 소모된 Si보다 약 2.2배 두꺼워 그 효과가 더 커진다. 그래서 Si 표면이 공핍된다. P·As·Sb(m ≈ 10)는 반대로 쌓인다. 분리 시뮬레이터로 돌아가기