이온 주입과 어닐링으로 소스·드레인 만들기

MOSFET의 소스와 드레인은 실리콘에 도펀트를 원하는 깊이와 농도로 심어서 만듭니다. 오늘날 이 일을 하는 표준 방법이 이온 주입(ion implantation)입니다. 도펀트를 이온으로 만들어 전기장으로 가속해 웨이퍼에 쏘고, 그 뒤 열처리(어닐링)로 손상된 결정을 복구하며 도펀트를 전기적으로 활성화합니다. 에너지가 깊이를, 도즈가 농도를 정하고, 어닐링이 그 둘을 “쓸 수 있는 상태”로 바꾼다는 흐름만 잡으면 나머지는 따라옵니다.

먼저 한 번 재생해 보기

위 시뮬레이션은 19초 동안 준비 → 이온 주입 → 주입 직후 → 어닐링 → 완성의 다섯 장면을 보여 줍니다. 실제로 이온은 피코초 안에 멈추고 어닐링은 수 초가 걸리지만, 흐름을 보기 위해 슬로모션으로 그렸습니다. 재생 바를 끌면 공정을 앞뒤로 돌려 볼 수 있습니다.

① 게이트가 마스크가 된다: self-aligned

게이트를 먼저 만들고 그 위에서 이온을 쏘면, 게이트가 이온을 막아 게이트 양옆에만 도펀트가 들어갑니다. 소스·드레인이 게이트에 자동으로 정렬되므로 별도의 정렬 오차가 생기지 않습니다. 이 self-aligned 공정 덕분에 게이트와 소스·드레인의 겹침이 작고 균일해집니다.

② 에너지는 깊이를, 도즈는 농도를 정한다

가속 에너지가 클수록 이온이 실리콘 원자와 충돌하며 에너지를 잃기까지 더 깊이 들어가 투영 비정 R_p가 커집니다. 도즈는 단위 면적당 주입한 이온의 개수이며, 프로파일의 높이(농도)를 결정합니다. 프로파일은 근사적으로 R_p를 중심으로 한 가우시안입니다.

같은 에너지에서는 무거운 이온(비소)이 가벼운 이온(붕소)보다 얕게 멈추고 분포도 좁습니다. 그래서 얕은 접합이 필요한 소스·드레인 확장(extension)에는 비소가, 깊은 웰이나 문턱전압 조정에는 붕소나 인이 자주 쓰입니다. 세 이온을 번갈아 선택하면서 R_p 값이 어떻게 바뀌는지 확인해 보세요.

③ 주입 직후에는 왜 아직 쓸 수 없나

이온이 지나간 자리에는 결정이 깨진 손상이 남고, 도펀트 원자의 대부분은 실리콘 격자 자리가 아니라 격자 사이(interstitial)에 끼어 있어 전기적으로 비활성입니다. 도즈가 임계값을 넘으면 실리콘이 비정질로 바뀌기도 합니다. 이 상태로는 소스·드레인으로 동작하지 않습니다.

④ 어닐링: 복구, 활성화, 그리고 확산

고온에서 열처리하면 결정이 재배열되며 손상이 복구되고, 도펀트가 격자 자리로 들어가 활성화됩니다. 동시에 열 확산이 일어나 프로파일이 넓어집니다. 확산 길이는 대략 √(2Dt)이고, 확산 계수 D는 온도에 지수적으로 민감합니다.

어닐링 온도 슬라이더를 700 °C와 1100 °C로 바꿔 보면 프로파일이 퍼지는 정도가 크게 다르다는 것을 볼 수 있습니다. 그래서 현대 공정은 고온에서 매우 짧게(RTA, spike, laser) 처리해서 활성화는 충분히, 확산은 최소로 하려 합니다. 소자가 작아질수록 얕은 접합(shallow junction)이 필요하기 때문입니다.

⑤ 접합 깊이는 어디인가

n형 도펀트를 주입한 영역의 농도가 기판의 p형 농도와 같아지는 깊이가 pn 접합 깊이 x_j입니다. 시뮬레이션의 프로파일 차트에서 곡선이 기판 농도 선과 만나는 깊이가 이 값입니다. 붕소를 선택하면 기판도 p형이라 pn 접합이 생기지 않는 점도 확인해 보세요.

정리해 두면 좋은 흐름

• 에너지 → 깊이(R_p), 도즈 → 농도(N_p). 두 값을 독립적으로 정할 수 있다는 점이 확산 대비 이온 주입의 장점입니다.
• 무거운 이온일수록 얕고 좁게, 가벼운 이온일수록 깊고 넓게 분포합니다.
• 주입 직후에는 결정 손상 + 비활성 상태라 어닐링이 반드시 필요합니다.
• 어닐링은 활성화(원하는 효과)와 확산(원치 않는 번짐)을 동시에 일으키므로 고온·단시간이 유리합니다.
• 게이트가 마스크가 되어 소스·드레인이 자동 정렬되고(self-aligned), 횡방향 확산이 크면 유효 채널 길이가 줄어듭니다.