VLSI Engineering _ Diffusion (요약 정리)

 

Diffusion

 

 

• Main purpose

- Diffusion

- Ion implantation

 

Diffusion	Ion implantaion
- High temperature, hard mask (SiO₂) - Isotropic dopant profile (원하는 것보다 더 많이 들어가게 됨, lateral diffusion) - Cannot independently control the dopant concentration, junction depth (농도차에 의해 확산하기 때문에 diffusion하려고 온도와 시간을 정해주면 junction depth를 정할 수 있지만 방향까지 control하긴 어렵다)	- Low temperature, PR mask - Anisotropic dopant profile (원하는 방향으로 조절이 용이) - Can independently control the dopant concentration, junction depth (에너지를 세게 주면 많이 들어가고, 에너지를 낮게 주면 적게 들어감 -> 원하는 깊이 조절이 용이)

 

 

• Diffusion vs. Ion Implantation doping profile

Diffusion : surface에서 농도가 가장 높다 (그래프..)

Ion Implantation : 에너지를 준 곳에 농도 가장 높다 -> Gaussian 분포

그림.. 넣기가 너무 귀찮아..ㅠ

 

 

• Diffusion Procedure

1) Substitutional diffusion : 빈공간을 치환해서 들어감. 공정 중에 열을 주게 되면 Si에 Vacancy가 발생하고 우리가 주입한 impurity가 그 자리에 들어간다. Dopant shallow level에 존재

2) Interstitialy diffusion : 빈 공간을 타고 들어가다 기존 실리콘의 자리를 뺏음

3) Interstitial diffusion : 빈 공간 사이사이 지나며 diffusion하는 impurity, 속도가 더 빠름, recombination center / Deep level에 존재

 

 

• Modeling of Diffusion

수식적인건 생략

 

 

• Two-Step Diffusion

- pre-deposition : 원하는 만큼 dopant 주입

- drive-in : dopant 주입 끊고 열공정하여 원하는 깊이의 junction 만들어줌

** Thermal budget : Dt (D : diffusion constant, t : time) -> 뒷공정에 열공정 있으면 계속 확산하니까 Dt를 보고 앞단 열공정을 조절해야 한다.

 

Constant-source diffusion -> pre-dep -> known dose Q

limited-source diffusion -> drive-in -> (Dt)drive

 

(Dt)predep >> (Dt)drive   ---->  final impurity distribution is erfc (erfc로 불순물들이 분포)

(Dt)predep << (Dt)drive   ---->  final impurity distribution is Gaussian (gaussian 으로 불순물들이 분포)

 

 

• Solid Solubility Limit

: 최대 넣어줄 수 있는 dopant들의 갯수, Diffusion시 불순물들이 si 사이사이에 들어가는데 이때 최대 들어갈 수 있는 농도를 말함

 

 

• Junction Formation

수식적인 건 넘어감~

 

 

• Concentration - dependent Diffusion

- kink effect

unique feature of P case

D of P becomes enhanced at around 10^19 /cm³ (불순물 농도가 10^19일 때 phosphorus의 diffusion coefficient가 커지는 현상-> 생각했던 것보다 더 깊이 diffusion됨

 

- sheet resistance

예제있음

 

• Irvin's curve

: sheet 저항, Junction depth, surface 농도 간 관계를 그린 그림

예제있음

 

 

• RTP (Rapid Thermal Process)

: Dt에서 time을 줄이는 방법, 온도를 빨리 올려 Annealing을 빨리해서 Dt 값을 최대한 줄이는 diffusion 과정

Shallow Junction -> Need to Small Thermal Budget (Dt)

 

 

• Comparison Furnace VS. RTP

구분	Furnace	RTP
다루는 wafer수	Batch (20~25장)	Single Wafer (하나씩)
외벽의 온도	Hot Wall (공간 자체 온도가 높다)	Cold wall (wafer온도만 증가시킴)
공정 시간	Long time (수시간~수십분)	Short time (1분이내)
온도 변화율	small (천천히 온도 올라감)	Large (1초마다 50도정도)
Cycle Time	Hight	Low
Temp monitor	Furnace (내부 온도)`	Wafer (Wafer 표면 온도)
Particle Problem	Yes	Minimum (한장씩 진행해서 주변 환경 제어가 용이함)
Thermal Budget (열처리량)	Hight	Low
공정시간 및 온도 (대략)	850~1000℃, 30분	1100~1150℃, 30초