F14. 도핑과 임플란트
실리콘 반도체에 불순물을 도핑하는 방법이 처음에는 실리콘을 액체 상태로 만들 수 있는 고온의 용탕에 3족 또는 5족 원소를 투입한 후 단결정 성장법을 사용하여 p형(혹은 n형) 반도체를 만들다가 그 반대의 원소를 투입하여 n형(혹은 p형) 반도체를 만들어 p-n(혹은 n-p) 접합을 만들었다. 이를 성장 접합 방법(grown junction method)이라고 한다. 그 후 반도체 집적 회로를 제조하기 위해서 더 낮은 온도 영역에서 고체 상태의 실리콘 웨이퍼에 3족이나 5족 원소 불순물을 포함하는 펠레트(pellet)를 얹은 후에 녹여서 웨이퍼로 침투하게 하여 재결정이 일어나도록 하여 p형 반도체나 n형 반도체를 만들었다. 이를 합금 접합 방법(alloy junction method)이라고 부른다. 그 뒤에 나온 방법이 집적 회로 제조에 적용된 플래나 기술(planar technology)이다. 이는 실리콘 웨이퍼를 먼저 산화시키고 포토 공정으로 접합을 만들고자 의도한 부분을 열어놓고 나서, 불순물을 포함하는 물질을 실리콘 웨이퍼 표면에 도입한(pre-deposition) 후에, 온도를 조금 높여서 실리콘 웨이퍼의 더 안쪽으로 불순물을 확산시키는(drive-in) 방법을 사용하였다. 실리콘 산화물인 SiO2가 MOS 구조를 형성하는 데 필요하고 좋은 절연체 역할을 한다는 것이 알려진 후 도핑하는 공정과 산화물 형성 공정을 동시에 수행하고자 노력하였다.
그 결과 집적 회로 제조를 위해서 실리콘 웨이퍼 위에서의 불순물의 확산과 산화물 형성을 위한 고온 공정이 중요하게 되었다. 고온을 손쉽게 얻을 수 있는 노(爐, furnace)의 자동화가 중요하게 되었고, 확산 관련 장비의 가격이 FAB에서 차지하는 비중이 높아졌다. 그래서 세계적으로 한때 반도체 소자 제조로 맹위를 떨치던 일본인들은 반도체 집적 회로를 제조하는 공장을 확산공장(擴散工場)이라고 부르기까지 하였다. 또한 반도체 소자를 제조하는 FAB 안에서 기술적인 문제를 관리하고 해결하는 공정 엔지니어 중에서 노가 있는 지역을 담당하는 엔지니어가 중요하였고 경험이 많은 엔지니어가 담당하였다. 자동화가 완전히 실현되지 않은 시절에는 확산 엔지니어가 노에 웨이퍼를 로딩하고 노 온도를 올리는 레시피(recipe) 관리가 중요한 몫을 담당하였다. 실리콘 웨이퍼 위에 산화막이 형성되는 속도(kinetics)가 한때 중요한 이슈였고, 그에 관한 이론이 중요한 역할을 한 적이 있다.
그 뒤에 기술의 진보와 함께 불순물의 도핑 방법이 이온 임플란트 방법으로 바뀌었다. 이온이란 전자가 떼어지거나 덧붙여져 있는 원자의 몸통이다. 자기장 아래에서 전기를 띠고 있는 물체는 그 질량에 비례하여 휘어지는 정도가 다르다. 이온의 흐르는 통로를 빔(beam)이라고 하는데, 빔을 흐르는 물질은 같은 질량을 갖고 있다. 불순물의 소스는 고체, 액체, 기체로 다양할 수 있지만 이온을 심는 웨이퍼는 보통 상온을 유지하고 있다. 물론 이온의 조사(照射)로 웨이퍼 온도가 약간 상승한다. 플래나 기술의 취지에 맞게 실리콘 산화막이나 포토 공정의 감광막(photo resist film)이 이온 임플란트의 마스크 역할을 할 수 있다. 이온 임플란트 작업 이후에 도핑 원소의 전기적 활성화(electrical activation)와 웨이퍼의 응력 제거(stress relief)를 위하여 어느 정도 고온을 유지하여야 하지만 그 온도는 불순물 확산이나 산화막 형성을 위한 온도보다 훨씬 낮다. 따라서 확산 혹은 디퓨전(diffusion) 지역의 장비 대수나 유지 비용이 대폭 줄어들게 되었다. 그 대신 이온 임플란트 장비와 담당 공정 엔지니어의 역할이 중요하게 되었다. 그 장비 이름이 이온 임플란터(ion implanter)이다. 여러 가지 실험과 평가 결과 3족 불순물 원소로는 보론(B)이 적절하고 5족 불순물 원소로는 비소(As)가 적절하다고 결론이 나왔다. 실리콘 웨이퍼는 B(보론) 원소가 도핑된 p형이 대세가 되었고, 그 위에 N Well(Tub)을 형성하기 위해서는 이온 임플란트로 P(인) 원소를 불순물로 도핑하고 장시간 확산하는 방법이 채용되고 있다.
원자들이 차곡차곡 빽빽하게 채워져 있는 고체에도 어떻게 보면 느슨하고 넓게 뚫어져 있는 방향이 있다. 이런 고체에 제3의 원소가 이온 임플란트로 외부에서 주어진 에너지에 의하여 강제로 들어가게 되면, 그 방향으로 이온들이 들어가려는 경향이 있다. 이를 이온 채널링(ion channelling)이라고 한다. 이를 설명할 때마다 필자는 인천 상륙작전이 생각난다. 우리가 기억하는 사진은 맥아더(Douglas MacArthur, 1880~1964) 장군과 그 참모들이 물 위를 걸어 상륙하는 장면이다. 그러나 그 전에 수많은 함정을 타고 온 병사들이 인천 월미도 해변에 상륙하여 아마도 갯골을 따라 적군의 총탄에 응사하며 침투하여 상륙작전을 감행한 후 안전하다는 보고를 받은 후에 수뇌부가 상륙하였을 것이다. 갯골을 따라 낮은 포복으로 이동하는 병사들의 모습이 이온 채널링 현상과 유사하다고 생각한다. 이온 임플란트 후 열처리 과정인 아닐링(annealing) 공정까지 마치고 나서 불순물이 침투한 깊이인 접합 깊이(junction depth)를 불순물 원소별로 사전(事前)에 공정연구자들이 연구하여 최적의 임플란트 조건 등 공정 조건을 결정하고 그대로 실행한다. 마치 인천 상륙작전의 계획이 제2차 세계대전에서 노르망디 상륙작전의 경험에 의한 것이라는 말이 있듯이.
이제는 임플란트라는 말이 일상 용어가 되었다. 바로 치과 용어인데, 노인들과 치열에 관심이 많은 젊은이 사이에서 많이 언급되고 있다. 옛날에는 치아에 결손이 생기면 보철이라고 금니나 아말감이 유행했는데, 요즈음은 임플란트가 대세가 되었다. 치과 의사의 전공에 임플란트 분야가 추가되었고, 의료보험에서 개인당 임플란트 두 개까지 부담해 준다고 한다. 원래 임플란트는 정형외과에서 뼈 대신에 금속 구조물을 끼워 넣는 데서 시작되었으나 요즈음은 치과 치료의 큰 부분이 되었다. 임플란트 재료를 생산하는 국내 회사가 많이 생겨나서 서로 경쟁하고 있다. 필자도 임플란트 시술을 한번 받았는데, 썩은 이를 빼고 그 자리에 금속으로 된 이를 심는 작업이었다.
원래 플랜트(plant)는 동물의 반대말인 식물(植物)이란 뜻이다. 어느 지역에 식물을 씨앗이나 나무로 심으면 그 자리에서 성장하여 꽃을 피우고 열매를 맺는다. 인류사에 커피, 사탕수수, 후추 등이 귀할 때 유럽 사람들이 그 종자나 묘목을 배로 재배에 유리한 지구상의 다른 지역으로 퍼뜨렸는데, 이렇게 조성된 농장(農場)을 플랜테이션(plantation)이라고 한다. 아울러 플랜트에는 공장(工場)이란 뜻이 있다. 공장은 움직일 수 없는 장치산업으로 식물과 성질이 비슷해서 플랜트라는 말이 붙여진 것 같다. 오늘날 반도체 공장과 반도체나 전자 제품을 디자인하는 회사가 태평양을 사이에 두고 양쪽에 걸쳐 있어서 반도체 소자가 비행기로 양쪽을 오고 가고 있다.
