사전 비정질화(PAI)란 무엇인가

사전 비정질화는 영어로 Preamorphization Implantation, 줄여서 PAI라고 합니다. 보론(Boron) 같은 도펀트를 본격적으로 주입하기 전에, 이온 빔으로 실리콘 표면 근처의 규칙적인 결정 격자를 의도적으로 흐트러뜨려 비정질 실리콘층을 만드는 공정입니다.

핵심 목적은 뒤이어 주입되는 도펀트 이온이 너무 깊이 들어가는 현상, 즉 **결정 채널링(channeling)**을 줄이는 것입니다.1112

비정질화는 실리콘을 녹이는 것이 아니다

단결정 실리콘은 원자가 장거리까지 규칙적으로 배열된 물질입니다. 반면 비정질 실리콘은 원자 배열의 장거리 규칙성이 사라진 상태이지만, 여전히 고체입니다. 실리콘을 녹였다가 굳힌다는 뜻은 아닙니다.12

여기서 ‘사전’이라는 말은 목표 도펀트 주입보다 먼저 수행한다는 뜻입니다. 예를 들어 게르마늄(Ge)으로 실리콘 표면을 먼저 비정질화한 뒤, 보론을 주입하는 순서가 사용될 수 있습니다.11

왜 격자를 일부러 흐트러뜨릴까

단결정 실리콘에는 특정 결정 방향을 따라 원자 사이의 빈 공간이 비교적 곧게 이어지는 경로가 있습니다. 입사 이온이 이런 방향으로 들어가면 충돌이 적어져 예상보다 깊은 곳까지 침투할 수 있습니다. 이때 도핑 농도 프로파일의 깊은 영역에 긴 꼬리(deep tail)가 생기는데, 이를 채널링 효과라고 합니다.12

여기서 말하는 채널링은 MOSFET의 전류가 흐르는 ‘채널’과는 다른 개념입니다.

PAI는 표면 부근의 규칙적인 결정 경로를 없애므로, 이후 도펀트 이온의 과도한 깊은 침투를 억제하는 데 도움이 됩니다. 따라서 얕고 정밀하게 제어되는 도핑 분포가 필요한 초박형 접합(ultra-shallow junction) 공정에 활용됩니다.711

쉽게 비유하면, 가지런히 심어진 나무 사이에는 멀리까지 곧장 뻗은 길이 생길 수 있습니다. 배열을 불규칙하게 만들면 물체가 그 길을 따라 멀리 통과하기가 어려워지는 것과 비슷합니다.

일반적인 공정 흐름

1. 사전 비정질화 주입
   Ge 또는 Si 이온을 주입해 실리콘 표면층에 충분한 격자 손상을 만들고 비정질화합니다.12

2. 도펀트 주입
   보론 등 목표 불순물을 주입합니다. 형성된 비정질층은 채널링에 따른 깊은 꼬리를 줄이는 역할을 합니다.11

3. 어닐링
   비정질층을 다시 결정화하고 도펀트를 전기적으로 활성화합니다. 이때 잔류 결함을 제어해야 하므로, 비정질화가 아무런 공정 부담 없이 끝나는 것은 아닙니다.16

즉, PAI는 최종 소자 구조를 계속 비정질 상태로 유지하려는 기술이 아니라, 도핑 분포를 제어하기 위해 공정 중간에 거치는 단계입니다.

pai 옵션과의 관계

다음과 같은 Sentaurus Process 명령을 예로 들 수 있습니다.

implant Boron energy=230 dose=1.0e13 tilt=0 rot=135 pai

여기서 pai는 SProcess의 사전 비정질화 관련 이온 주입 모델 옵션입니다.15

다만 실제 제조 공정의 PAI와 시뮬레이션 명령 옵션은 구분해서 봐야 합니다.

• 실제 공정의 PAI: Ge 등의 이온을 먼저 주입해 실제 비정질층을 형성하는 단계입니다.
• 명령어의 pai: 해당 주입에서 PAI 관련 모델을 적용하도록 지정하는 옵션입니다. 이 키워드 하나만으로 스크립트가 별도의 Ge 주입을 자동으로 한 번 더 수행한다고 볼 수는 없습니다.15

위 명령에서 명시된 주입 원소는 여전히 Boron입니다. 현재 구조에 비정질층이 이미 존재하는지, 그 깊이가 어느 정도인지, 그리고 사용 중인 SProcess 버전에서 pai가 어떻게 처리되는지는 앞선 주입 단계와 모델 설정을 함께 확인해야 판단할 수 있습니다.