Transcript 김선태교수 - 정보전자부품소재 단위공정·평가연구소

태양전지 제조공정 실무자 양성 프로그램
확산공정
2009. 8. 12
김선태
한밭대학교 신소재공학부
정보전자부품소재연구소
내용
1. 클린룸 시설 소개
2. 확 산
클린룸 소개
1999년 7월 정보전자공동실험실 설립인가 (특성화 및 우수대학 사업비)
Mask aligner 외 15종 도입
2002년 6월 유성캠퍼스 현 클린룸 시설 확보
173 m2, class 10,000 (1,000)
2007년 8월 지역산업기반구축사업 정보전자부품소재연구소 설립
2008년
AFM 외 5종 도입
2009년
고온XPS 설치 완료
RF 스퍼터 외 5종 도입 예정
보유 장비 목록
6인치 실리콘 태양전지 제조공정 장비
번호
장비명
정보전자부품소재 및 태양전지 분석·평가 장비
모델명
번호
장비명
모델명
1
Contact Mask Aligner
ABM IR
/ ABM INC.
1
X-ray Diffraction
System
D/MAX-2500U/
PC/ Rigaku
2
Spin Coater & Developer
HANSONIC
2
Atomic Force
Microscope
3
Wet Etch Station
APEX
3
Polarization Microscope
OPTIPHOT2POL/ NIKON
4
Dry Etcher
APEX
4
UV Microscope
ECLIPSE E600
/ NiKON
5
Annealing/Oxidation
Furnace
APEX
5
Spectroscopic
Ellipsometer
Mg-1000UV
/ Nano View
6
Diffusion Furnace
Woosung
HV
6
Probe Station
DE/PM5
/ Karl Suss
7
DC Sputter
APEX
7
4-point Probe Analyzer
8
Thermal Evaporator
E306A
/ Edward
8
Semiconductor
Parameter Analyzer
9
E-Beam Evaporator
DaON
1000TE/
VTS
9
LCR Meter
10
Screen Printer
GP-600FV
/ DY Tech
10
X-ray Photoelectron
Spectroscopy
11
Dual Chamber Rapid
Thermal Process System
2009년
도입예정
11
Solar Cell IPCE Tester
2009년
도입예정
12
Wafer Sawing Machine
2009년
도입예정
12
Solar CellⅠ-Ⅴ Tester
2009년
도입예정
13
RF Sputter
2009년
도입예정
13
Desk-top Scanning
Electron Microscope
2009년
도입예정
D-3100SPM
/ Veeco
CMT-SR2000N
/㈜에이아이티
HP4155B
/ HewlettPackard
E4980A / Agilent
PHI 5000
Versa Probe
Clean Room for Si Solar Cell Process
2
Service
Room
3
5
4
6
7
16
White Room
8
9
ㅍ
11
20
13
14
16
N2 Purifier
RF Sputter
Chiller
E-Beam Evaporator
Wet Statiom
Screen Printer
DI Water Generator
Desk-top SEM
15
9. SolarCell I-V Meas. System
10. SolarCell IPCE Meas. System
11. RTP Furnace
12. DC Sputter
13. Working Table
14. Annealing Furnace
15. Diffusion Furnace
16. Wafer Sawing Machine
28
24
22
White Room Equipments
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
XPS
Lab.
25
ㅍ
30
26
21
12
19
18
Yellow Room
10
1
17
23
27
29
Yellow Room Equipments
17.
18.
19.
20.
21.
22.
23.
24.
AFM Data Processor
AFM
Contact Mask Aligner
LCR Meter
HP-4155
Probe Station
UV Microscope
Ellipsometer
25.
26.
27.
28.
29.
30.
Toxic Gas Burner
Gas Cabinet
Gas Cabinet
Spin Coater
Dry Etcher
Dual-source XPS
Silicon Solar Cell Standard Process
p-type Si wafer (100)
chemical etching (texturing)
n+
diffusion oxide removal
(Chemical Etching)
emitter formation
(P2O5 diffusion)
Back-side contact
(Aluminum sputtering)
BSF formation
(Drive-in diffusion)
crystallization
(Thermal annealing)
TOC formation (ITO)
(E-beam evaporation)
contact formation
(Ag-paste screen printing)
metallization
(Anneal & Edge sawing)
p+
Diffusion
2009년 태양전지 실무인력 양성 프로그램
Diffusion
√ 개요
• 확산이란 입자의 농도 차에 의해 농도가 높은 쪽에서 농도가 낮은 쪽으로 이동하는 현상
• 반도체 제조과정 중 필요한 부분에 불순물을 주입시키기 위해 확산기술이 이용됨
• 불순물 도핑의 주된 방법
- 확산 (Diffusion) : 깊은 접합(deep junction) 형성
- 이온주입 (Ion Implantation) : 얕은 접합(shallow junction) 형성
• 불순물 주입 목적 : p-n 접합 형성
그외
- 일정한 종류의 캐리어와 일정한 비저항
- 금속과 실리콘의 접촉 저항을 낮추기 위한 표면의 고농도 불순물 층 형성
- 표면 전계 효과 소자의 특성 조절을 위한 표면의 저농도 불순물 층 형성
- 캐리어의 재결합을 증가시켜 고속의 포화 개폐 소자를 만들기 위한 중금속 주입
- 소자 제조 과정에서 불순물을 제거하거나 게더링을 위해 다른 불순물을 유인하는 불순물 주입
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Diffusion
√ 도핑 방법
- 결정 성장 중 도핑
Epitaxy의 경우 도핑 될 물질이 용융 실리콘이나 증기에 포함시켜 성장
불순물의 확산속도보다 결정의 성장속도가 빠르고 고체 안에서 확산의 영향은 비교적 작음
- 표면을 통한 도핑
(1) 고체 상태로부터의 도핑
도핑 될 불순물을 포함한 층을 표면에 형성시키고 고온에서 불순물이 반도체 내부로 확산
(2) 증기 상태로부터 도핑
고온의 로 안에 도핑 될 불순물을 포함한 증기에 반도체 표면을 노출시켜 확산
(3) 이온주입
진공 속에서 불순물 이온을 가속하여 표면으로 주입하면 충돌에 의해 불순물 이온이
반도체 내에 머물게 됨
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Diffusion
√ 확산과 이온주입의 비교
• 확산
- 도펀트 원자는 웨이퍼 표면에 존재
- 도핑 농도는 표면으로부터 순차적으로 감소
• 이온주입
- 도펀트 원자를 웨이퍼 내부로 강제 주입
- 도핑 농도는 표면으로부터 일정한 거리만큼
떨어진 내부에서 최대, 그 전후에서 감소
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Diffusion
√ 확산 공정
•
•
•
•
석영관 전기로(quartz-tube furnace) 사용 - Dopant가 포함된 혼합가스를 주입
공정온도 - Si ; 800 ℃ ∼ 1200 ℃ / GaAs ; 600 ℃ ∼ 1000 ℃
확산된 원자의 수 ∝ 혼합가스 내의 dopant의 분압
Si 내로의 확산 - p형 불순물 ; 주로 붕소(B) 사용
i
i - n형 불순물 ; 주로 비소(As) 또는 인(P) 사용
• 소스(source) – 고체 (BN, As2O3, P2O5),
기체 (B2H6, AsH3, 또는 PH3 ),
액체 (BBr3, AsCl3, POCl3) - 액체소스를 주로 사용.
<Schematic diagram of a typical open-tube diffusion system.>
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Diffusion
√ 반응 예 - 액체소스 사용 / 인(P) 확산
4POCl3 + 3O2 → 2P2O5 + 6Cl2 ↑
2P2O5 + 5Si → 4P + 5SiO2 ↑
• P2O5는 glass-on-Si wafer를 형성하게 되고, Si에 의해서 P로 환원
• P는 Si 내로 확산되어 들어가고, Cl2 가스는 밖으로 배출
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Diffusion
√ 실리콘 내의 불순물
-실리콘 내의 불순물 : 실리콘 격자 안에서 불순물이 차지할 수 있는 위치는 대체 위치와
틈새 위치 두 가지이다.
(1) 대체 위치 (substitutional position)
-
vacancy(빈자리) 의 이동
원자가 격자 위치에서 근처의 빈자리나 Schotty 결함으로 옮겨간다
실리콘 결정 내에서 Si의 확산이나 대체 불순물( Dopants : B, As, P..)의 확산
에너지 관점에서 볼 때 하나의 빈자리의 형성보다는 짝으로 된 빈자리 형성이 유리
원자가 도약을 하여야 하며 또한 원자가 들어갈 빈자리가 만들어져야 함
P  Pjump  Pvacancy  4e
 Wjump
kT
e
 WS
kT
Moving probability : P
probability for jumping over barrier : Pjump
probability to form vacancy : Pvacancy
상온(300K)에서는 1028∼1045년에 한번 이동
소자가 동작하는 온도에서는 매우 안정됨
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Diffusion
√ 실리콘 내의 불순물
(2) 틈새 위치(interstitial position)
- 틈새위치에서 다른 틈새 위치로의 이동하는 모델
- 주파수 를 갖는 원자가 이동하기 위해서는 potential 장벽 W를 넘어야 한다.
P = 4exp[-W/kT]
atomic vibration frequency : 
potential barrier : W
jumping probability : P
W ~1 eV,  = 1013∼1014/sec at 300K
상온에서 분당 1회의 이동을 하므로
충분한 이동이 일어나기 위해 서는 고온이 필요
틈새위치 확산은
실리콘에서는 중금속, 가벼운 금속의 확산
확산이 비교적 빠르고
gettering에서는 유용한 성질로 결함의 형성에는 나쁜 성질로 작용
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Diffusion
√ 용해도의 개념
- CL 과 CS 를 각각 평형 상태에서 경계면에서의 액체와 고체에서의 불순물 농도라 하면,
불순물 농도 비로 정의되는 분포상수 K<1은 용해도가 제한됨을 의미한다.
불순물 분포상수 : K = CS /CL < 1 → 용해도 제한
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Diffusion
√ 온도에 따른 고체 용해도
실리콘의 녹는점 부근에서 고체 용해도는 감소하는데 이것을 그 dopant의 하강 고체 용해도
(retrograde solid solubility)라 한다. 최대 용해도를 초과하면 격자가 지나치게 압박을 받아 새로운 상
으로 들어가게 되고 새로이 생긴 상 부근에서 격자가 부서지는 현상이 나타난다.
<Si 내에서 온도에 따른 각종 원소의 고체 용해도>
최대 용해도는 불일치 계수 = (Ri-RSi)/RSi 에 따라 용해도에 제한이 생김
(Ri = 불순물 반경 Rsi= 실리콘 반경)
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Diffusion
√ 실리콘 내 불순물의 전기적 특성
실리콘에 불순물이 도입되면 대체 위치나 틈새 위치를 차지하게 되며, 실리콘 에너지 밴드의
금지대에 하나 또는 몇 개의 전자 에너지 준위를 만들 수 있다. 이 에너지 준위는 전자의
소스 (source) 또는 싱크 (sink)로서 작용할 수 있으며 실리콘의 전기적 성질을 크게 변화시킨다.
<여러 가지 불순물에 의한 실리콘의 에너지 밴드 갭에서의 에너지 준위.>
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Diffusion
√ 실리콘 내 불순물의 전기적 특성
(1) 대체 불순물
실리콘 결정 격자에 들어온 V족 원소는 에너지 밴드에서 전도대 바로 아래의 에너지 준위를 차지하고 있다.
이와 같은 불순물은 주게 (donor)라 하며, 쉽게 전도대에 전자를 내어준다.
원자를 하나의 전자를 갖고 있는 수소 원자와 같이 생각하고 Bohr의 수소 모델을 사용하면
0.09
(Ge)
전자의 유효질량=m*, 유전율=ε, 전자의 전하량=e, Plank 상수=h
실리콘 결정 격자 내에 있는 III족 원소의 원자에 대해서도 비슷한 상황이 일어난다.
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Diffusion
√ 실리콘 내 불순물의 전기적 특성
(2) 틈새 불순물
- 밴드 갭 사이의 중간에 준위를 형성하여 받게나 주게로 작용 (예: 실리콘에 도핑된 Au )
- 주된 작용은 전자의 생성과 재결합 준위로 작용하여 실리콘의 밴드간의 전자의 간접 천이를 쉽게 함
<전자밀도와 온도 사이의 관계 : Ei는 Ec-Ed로
주어지는 불순물의 이온화 에너지>
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<전기 전도도와 온도 사이의 관계.>
Diffusion
√ 실리콘 내 불순물의 전기적 특성
(2) 틈새 불순물
<전자와 정공에 대한 이동도 상수>
<Si의 불순물 농도와 이동도 사이의 관계>
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Diffusion
√ 실리콘 내 불순물의 전기적 특성
(2) 틈새 불순물
☜ 상온에서 실리콘의 불순물 농도에 따른 비
저항의 변화
☜ 주입물의 전기적 성질 및 성질의 응용뿐만
아니라 확산층의 분석에도 중요
<비저항과 불순물 농도>
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Diffusion
√ dopant의 성질 및 응용
< Si에 대한 확산원 (diffusion source) >
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Diffusion
√확산 방정식
- 확산의 두 가지 모델
(1) 공공 메커니즘 (Vacancy Mechanism)
(2) 침입 메커니즘 (Interstitial Mechanism) (그 외: interstitialcy, crowdian mechanisms)
<Atomic diffusion mechanisms for a two-dimensional lattice.
(a) Vacancy mechanism. (b) Interstitial mechanism.>
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Diffusion
√확산 방정식
-확산 방정식 유도
• F : 단위시간에 단위영역을 통하여 움직이는 dopant 원자의 수
• C : 단위부피당 dopant의 농도.
Fick’s 1st law
C
F  D
x
D : 확산계수 (Diffusion coefficient / Diffusivity)
F는 농도의 기울기(∂C/∂x)에 비례하고, dopant 원자는 고농도 영역으로부터
저농도 영역으로 움직일(확산될) 것이다.
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Diffusion
√확산 방정식
☜ Dopant 불순물이 낮은 농도일 때에 대한
확산 계수를 측정한 것.
☜ 절대온도의 역수 값에 대하여 확산계수의
로그 값을 도시
☜ 격자간의 확산을 행하는 중금속 등의 확산
계수는 보통의 불순물의 확산계수와 비교
해서 ～104까지 큼. 즉 확산이 매우 빠름
<Diffusion coefficient (also called diffusivity)
as a function of the reciprocal of temperature
for (a) silicon and (b) gallium arsenide.>
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Diffusion
√확산 방정식
• 반도체 내에서 어떤 물질도 새로이 생성되거나 소모되지 않는다는
조건 하에 Fick’s 1st law 를 일차원 연속방정식(1-D continuity eq.)으로 치환하면,
C
F   C 

 D

t
x x  x 
• Dopant의 농도가 낮을 때, 확산계수는 도핑 농도와 무관
Fick’s 2st law
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C   2C 
  D 2 
t  x 
Diffusion
√확산계수의 온도의존성
  Ea 
D  D0 exp 

 kT 
D0 : 외삽된 온도범위까지 에서 얻어진 cm2/s 단위의 확산계수
Ea : eV 단위의 활성화 에너지
 침입형 확산 모델에서의 Ea
dopant 원자가 하나의 침입형 자리에서 다른 자리로 이동하는데 필요한 에너지
Si와 GaAs에서는 0.5~2 eV 사이에서 얻어짐
 공공형 확산 모델에서의 Ea
공공의 이동에너지와 공공형성에너지 모두와 관련이 있음
Si와 GaAs에서는 3~5 eV 사이에서 얻어짐
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Diffusion
√확산계수의 온도의존성
 빠른 확산에서의 Ea
Ea 값이 2 eV보다 적게 측정됨.
침입형 확산이 주된 메커니즘.
예) Si와 GaAs 내로의 Cu 확산
 느린 확산에서의 Ea
Ea 값이 3 eV보다 크게 측정됨.
공공형 확산이 주된 메커니즘.
예) Si와 GaAs 내로의 As 확산
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Diffusion
√확산계수의 온도의존성
<Si 내에서 각종 원자의 확산계수와 활성화 에너지>
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Diffusion
√불순물의 농도분포
Dopant 원자의 확산 분포 : 초기(initial)조건과 경계(boundary)조건에 따라 변함
(1) 일정한 표면 농도 확산(Constant Surface Concentration Diffusion).
- 불순물 원자가 기체소스로부터 반도체 표면에 공급되고, 뒤이어 웨이퍼 내로 확산
- 기체소스는 전체 확산 동안 일정한 표면 농도를 유지
(2) 일정한 전체 dopant 확산(Constant Total Dopant Diffusion).
- 일정한 양의 dopant가 반도체 표면에 증착되고, 뒤이어 웨이퍼 내로 확산.
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Diffusion
√불순물의 농도분포
(1) 일정한 표면 농도 확산(Constant Surface Concentration Diffusion)
• t=0 에서의 초기조건
C(x,0)=0
• 반도체 내의 dopant 농도가 초기에는 0 (zero)이라는 의미이므로
그 경계조건은,
C(x,t)=Cs
Cs : x=0 일 때의 표면 농도. 시간에 무관한 값
C(∞,t)=0
표면으로부터 먼 곳은 불순물 원자가 없다
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Diffusion
C (0, t ) = Cs
C (x, 0) = 0
C (, t) = 0
을 만족하는 방적식의 해는
x
C ( x, t )  Cserfc[
]
2 Dt
erfc(x) = 오차보정함수(Complementary Error Function)
(Dt)1/2 = 확산 깊이
오차함수 (error function) erf(x)와
오차보정함수 erfc(x)와의 관계식
d erf (x) =
dx
erfc(x)
2 e-x2

= 1 - erf(x)
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반도체 표면으로부터 거리의
변화에 따른 농도의 변화
dC
Cs
2

exp(

x
/ 4 Dt )
1/ 2
dx
(Dt )
Diffusion
√Normalized된 오차보정함수와 Gaussian 함수의 profile 비교
<규격화된 Gaussian 함수와 erfc함수의 비교>
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Diffusion
☜ 일정한 표면농도 조건의 확산분포 .
☜ 주어진 확산온도에서 세 개의 연속적인
☜
☜
확산시간과 고정된 D 값에 대응하는
확산길이의 세 값에서 깊이의 함수로서
표준 농도를 도시.
윗 그림 : 선형좌표.
아래 그림 : 로그좌표.
반도체 내로 확산된 단위면적 당 불순물의
총 양 Q는
Q(t )   C ( x, t )dx
Q(t ) 
2Cs

1/ 2
( Dt )1/ 2  1.13Cs ( Dt )1/ 2
 시간이 지날수록 dopant는 반도체 속으로
더 깊이 침투해 들어간다.
<Diffusion profiles>
(a) Normalized complementary error function versus
distance for successive diffusion times.
(b) Normalized Gaussian function versus distance.>
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Diffusion
√불순물의 농도분포
(2) 일정한 전체 dopant 확산(Constant Total Dopant Diffusion).
• t=0 에서의 초기조건
C(x,0)=0
• 경계조건은,
Q =∫C(x,t)dx
Q : 단위 면적당 총 불순물의 양
C(∞,t)=0
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Diffusion
C (0, t ) = Cs
Q =∫C(x,t)dx
C (, t) = 0
을 만족하는 방적식의 해는
C ( x, t ) 
Q
 x2
exp(
)
1/ 2
4
Dt
(Dt )
Gaussian 분포를 나타냄
☜ Gaussian 분포
☜ 윗 그림 : 선형좌표
아래 그림 : 로그좌표
☜ Gaussian 분포에서의 표면농도 Cs는
시간의 함수이고 (Cs = Q/(πDt)1/2), 반면에
오차보정함수의 Cs는 일정
<Gaussian 함수의 규격화된 거리에 따른 규격화된 농도분포>
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Diffusion
√반도체 제조공정에서의 실제적인 확산
 집적회로 공정에서의 확산
두 단계(two-step) 확산이 일반적으로 사용됨.
Step 1 : Short Constant-Source Diffusion 은 실리콘의 표면에 일정한 불순물을
Deposition 할 때 사용된다.
이러한 불순물은 Step2에서의 확산을 위한 Source가 된다
Pre-deposition step
Step 2 : Limited Source Diffusion은 Drive-in step 이라 부른다.
불순물을 표면에서부터 원하는 깊이까지 이동시키는 공정을 말한다
주로 전기로에서 진행하며 , 산화공정과 함께 진행한다.
2009년 태양전지 실무인력 양성 프로그램
Diffusion
√반도체 제조공정에서의 실제적인 확산
(1) 2차원 확산 (Two-Dimensional Diffusion)
☜ Pre-deposition의 경우 (constant surface
concentration)에 대해서 2차원적인 확산 결과
☜ ①mask가 OPEN된 영역의 표면에서 수직인
방향과 ②mask의 OPEN된 영역의 끝 (edge) 부
분으로부터 수평방향으로 거리에 따른 농도분포
☜ 수평방향으로 확산되는 정도는 수직방향으로
확산된 접합 깊이에 비해 동일 농도에서
15~20 % 정도의 차이 (접합의 형태를 원통모양
으로 취급할 수 있다.)
☜ drive-in diffusion의 경우 (constant total
dopant)에도 유사한 결과가 얻어짐
☜ 윗 그림 : 선형좌표.
아래 그림 : 로그좌표
<표면으로부터 수직방향 ①과 수평방향 ②에 따른 농도분포의 비교.>
2009년 태양전지 실무인력 양성 프로그램
Diffusion
√Lateral Diffusion
 반도체공정에서는 mask에서 만들어 놓은 영역만 불순물 확산을 진행한다
 일차원적인 확산 방정식은 전반적으로 깊이를 측정하는데 잘 맞는다
 이러한 확산방정식은 mask edge에서는 잘 맞지 않다 즉 수직 방향 분만이 아니라
수평방향으로도 확산은 일어난다
수평방향은 수직 방향의 75~85% 정도 diffusion이 일어난다
 이러한 lateral diffusion은 공정 설계에서 매우 중요하다
 Lateral Diffusion은 IC또는 chip의 면적에 영향을 주게 된다
2009년 태양전지 실무인력 양성 프로그램
Diffusion
(2) 산화막 성장에 따른 불순물의 재분포
열산화가 진행하는 동안에 Si-SiO2의 계면이 실리콘 기판 쪽으로 이동됨에 따라 성장하는
산화막과 실리콘 사이에서 불순물의 재분포(redistribution)가 일어남
☜균일하게 dopping된 실리콘 웨이퍼를 산화시켰을 때
불순물 인 (P)과 붕소(B)의 분포
☜분리계수 (segregation coefficient): 열평형 상태에서
계면 근처에서 산화막 내의 불순물 농도에 대한 실리콘 내
의 불순물 농도의 비
Si내의불순물 농도
m
SiO2내의불순물 농도
☜계면 부근의 산화막에서 붕소의 농도는 실리콘 표면에
서의 농도보다 높으며, 인의 경우는 반대로 낮음.
☜인은 SiO2에 흡수되기 어렵고, m>1이기 때문에 산화가
진행될 때 불순물을 산화막 밖으로 밀어내어 실리콘과의
접촉영역 부근에서 인의 축적을 유발시킴
☜붕소의 농도는 m<1이고 산화막이 불순물을 받아 들여
실리콘 표면에서의 붕소의 농도는 저하되고 고갈됨
<산화물-실리콘 경계면에서 서로 다른 분포계수
m에 대한 불순물 농도 분포.>
2009년 태양전지 실무인력 양성 프로그램
 분리계수는 불순물 재분포에 영향을 미치는
인자 중 하나이다.
Diffusion
Impurities
m
Al
< 10-3
As
10 ～ 103
B
0.3 ～ 10-2
Ga
> 103
In
> 103
P
10 ～ 103
Sb
10 ～ 103
< 불순물들의 분리계수 (Si/SiO2) >
그 밖의 불순물 재분포에 영향을 미치는 인자
 확산계수 (DSiO /DSi)
2
DSiO2>>DSi 이면 m 의 값에 관계 없이 실리콘에서 불순물 고갈
 산화속도와 확산속도와의 비 B/D
실리콘과 산화막을 분리하는 경계선이 얼마나 빨리 움직이는가를 결정해 주기 때문
2009년 태양전지 실무인력 양성 프로그램
Diffusion
√축적 또는 결핍의 정도를 나타내는 Cs/CB
CS/CB는 동일 불순물의 경우 산화막의 성장속도와 확산속도의 비로 지배되어
산화속도가 큰 H2O 분위기가 dry O2 분위기보다 CS/CB의 변화가 크다.
☜산화속도가 증가됨에 따라 재분포의
정도는 증가
(이는 습식산화에 대한 CS/CB의 값이 건식
산화에 대한 CS/CB 값보다 모든 온도에서
작기 때문이다. )
<열산화 중의 붕소 (B)의 재분포.>
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Diffusion
√축적 또는 결핍의 정도를 나타내는 Cs/CB
☜인이 도핑된 웨이퍼가 900-1300 ℃에서
산화된 후에 이 웨이퍼의 CS/CB를
산화분위기의 함수로 나타낸 것.
☜습식산화의 경우가 재분포 과정이 더
활발해서 높은 CS/CB의 비를 보여줌.
(즉 산화막과 접촉하고 있는 실리콘
표면에서 더 높은 인의 축척을 나타냄.)
<열산화 중의 인(P)의 재분포.>
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CS/CB의 비는 시간에 관계없다.
(이것은 산화와 확산이 (t)1/2에 따라
진행되어 접촉영역에서 평형상태가
이루어지기 때문이다.)
Diffusion
√확산장치
Quartz Diffusion Tube
Wafers
Vent
Vent
Valve &
Flow Meters
X
X
Solid Dopant
Flask
X
Wafer Carrier
X
X
Liquid Dopant Source
Carrier Gases
Carrier Gases
<solid source diffusion>
Temperature controlled Bath
Vent
X
X
X
Dopant Gas Carrier Gases
<gaseous source diffusion>
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<liquid source diffusion>
Diffusion
√확산계수의 측정
하나의 모체 결정재료를 준비해서 그 표면에 측정하려고 하는 원소를 정해진
조건에 따라 확산시켜, 그 깊이 방향의 농도분포를 측정하면 확산계수를 구할 수 있다.
대표적인 측정 수단으로
(1) 방사성 동위원소를 확산성분으로써 확산을 시킨 후 모체재료의 표면으로부터 일정량씩 연마해서
그 중에 함유된 방사성 성분 양을 하나하나 측정.
(2) pn접합 또는 유사한 방법으로 확산의 깊이 Xj가 측정될 때
<pn접합의 형성과 불순물의 분포>
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Diffusion
(2) pn접합 또는 유사한 방법으로 확산의 깊이 Xj가 측정될 때
xj는 확산 조건의 차이에 따라 다음과 같이 구별
(a) 확산성분량 Q=일정한 경우, 표면농도를 N0, 접합부에서의 농도를 Nj라고 하면,
N0 
Q
(Dt )1/ 2
Ns 
Q
exp(  x 2 / 4 Dt )
1/ 2
(Dt )
위 두식을 변형하면
Xj  2( Dt )1/ 2 (ln
N 0 1/ 2
)
Nj
보통의 경우 N0/Nj가 103이라면 이 값은 약 2.6, 105이라면 3.4로 그다지 큰 차이는 없다.
따라서,
Xj  6( Dt )1/ 2
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D를 알 수 있다.
Diffusion
(b) 표면에 있어서 확산성분의 농도가 일정하게 되도록 하는 조건으로 확산을 시켜 그 때의 고용도를 알면
Nj
 1  erf [ Xj /( 4 Dt )1/ 2 ]  erfc[ Xj /( 4 Dt )1/ 2 ]
N0
D를 알 수 있다.
(c) 위와 같은 조건으로 확산시켜도 정확한 표면농도를 알 수 없을 때,
d
dx erf (x) =
2 e-x2

식을 이용하면,
erfc z 
1
exp(  z 2 )
1/ 2
(z )
결국 근사적으로,
Xj  2( Dt )1/ 2 (ln
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N 0 3/ 2
)  6( Dt )1/ 2
Nj
D를 알 수 있다.