에피택시 오토도핑에서 새 층의 농도를 공급 가스만으로 정할 수 없는 이유

가스 공급 장치의 도핑 농도를 낮췄는데 새로 자란 실리콘 층은 기대보다 진하게 도핑됐다. 공급 가스의 순도만 의심하면 원인을 놓칠 수 있다. 에피택시 오토도핑에서는 기판이나 반응기에서 나온 도펀트가 성장층에 다시 들어간다. 새 층이 받는 도펀트의 출처가 설정한 공급 가스 하나가 아닌 것이다.

기판의 원자가 새 층에 들어오는 경로

고농도 기판 위에 저농도 층을 성장시키면, 기판의 도펀트가 고체 내부의 확산으로 새 층에 들어갈 수 있다. 성장 표면에 있던 도펀트가 새 원자층에 묻히기보다 표면 쪽에 남으려는 경로도 있다. 둘은 동일한 과정이 아니다. 확산 거리만 계산한다고 성장 표면의 교환까지 설명되는 것은 아니다.

여기에 기체를 거치는 경로가 더해진다. 가열된 웨이퍼 뒷면이나 고농도 영역에서 나온 도펀트가 반응기 기체를 통해 성장 표면으로 이동할 수 있다. 앞선 공정에서 도펀트가 남은 기판 받침이나 반응기 부품도 원인이 될 수 있다. 가스 공급 농도를 그대로 유지해도 웨이퍼와 반응기의 이력이 달라지면 배경 농도가 달라질 가능성이 있다.

MIT의 에피택시 강의 16~17쪽은 고체 확산, 성장 표면에 남는 경로, 뒷면과 받침 등에서 다른 위치로 전달되는 경로를 구별한다. 이 구분은 깊이 방향의 꼬리와 비교적 지속적인 배경 도핑을 모두 한 확산 계수에 넣지 않도록 도와준다. MIT 에피택시 원문

아주 작은 방출도 저농도 층에는 크다

기체를 통한 재유입만 남긴 가상 반응기를 계산해 보자. 도펀트가 R = 10⁹atoms/s로 반응기 안에 방출되고, 실제 반응기 조건에서의 기체 부피 유량 Q가 9cm³/s라고 하자. 기체는 잘 혼합되고, 도펀트가 빠져나가는 경로는 출구와 성장 표면의 편입뿐이라고 가정한다.

성장 표면의 유효 면적 A를 10cm², 도펀트가 실제로 편입되는 효과를 계수 k = 0.1cm/s로 묶자. 표면으로 들어가는 총량은 kACg이므로 정상 수지는 R = QCg + kACg다. 기체 농도는 Cg = R/(Q + kA) = 10⁸atoms/cm³이고, 표면의 편입 유량은 kCg = 10⁷atoms/cm²/s다. 실리콘의 성장 속도 v가 1nm/s, 즉 10⁻⁷cm/s라면 새 층의 추가 농도는 다음과 같다.

추가 도핑 농도 = kCg/v = 10¹⁴atoms/cm³

공급 가스로 의도한 같은 종류의 도펀트 농도가 5×10¹³atoms/cm³였고 두 기여가 더해진다면, 총농도는 1.5×10¹⁴atoms/cm³로 목표의 세 배다. 가상 예지만 저농도 층에서는 배경 유입이 목표보다 커질 수 있다는 의미가 선명하다.

이 계산은 화학적 도펀트 농도의 수지다. 모든 원자가 전기적으로 활성화됐다는 가정이 없으면 그대로 자유 운반자 농도로 바꿀 수 없다. 다른 종류의 도펀트가 섞이면 보상 효과도 고려해야 한다. 표면의 도펀트 교환이나 기판으로부터의 고체 확산은 이번 숫자에 넣지 않았다.

유량만 늘리면 해결되지 않는 이유

R, k, A와 v가 그대로라면 Q를 두 배로 늘릴 때 위 모델의 추가 농도는 약 53%로 줄어든다. 표면의 편입까지 수지에 들어 있어 정확히 절반은 아니다. 그러나 실제 유량 변경은 체류 시간, 표면 전달, 성장 속도에도 영향을 줄 수 있다. 표준 상태 기준의 유량 숫자를 실제 반응기 부피 유량에 바로 넣어서도 안 된다. 압력과 온도 조건을 맞춰야 한다.

해결책도 출처에 맞아야 한다. 뒷면 방출이 중요하다면 뒷면 상태와 노출 경로를, 반응기 이력이 중요하다면 이전 공정과 부품 상태를 비교해야 한다. 온도를 낮추면 어떤 경로는 줄어들 수 있지만 성장 반응 자체도 바뀐다. 도핑 프로파일과 성장 속도를 함께 측정하지 않으면 농도 감소가 유입 감소 때문인지 성장량 증가 때문인지 구별하기 어렵다.

새 에피층의 도핑은 공급 설정과 기판·반응기의 기여를 합쳐서 이해해야 한다. 목표 농도가 낮을수록 배경을 작은 오차로 취급하기 어렵다. 어디서 나온 도펀트가 어떤 경로로 편입되는지 분리하면, 가스 설정만 바꾸며 반복하던 문제를 구체적으로 좁힐 수 있다.