[반도체 공정] 산화공정(Oxidation)
1. 산화공정(Oxidation)
1) SiO2
- Amorphous
- 연속적인 random network tetrahedral 구조
- 높은 녹는점
- 절연 상수 3.8-3.9
- 에너지 밴드갭 8
- 굴절률 1.46
- Si와의 우수한 식각 선택비
- 밀도 ox< 밀도 si
- 이온주입/확산 마스크, 식각 마스크, Isolation에 이용
2. Thermal Oxidation
: 고온에서 O2 또는 H2O에 노출하여 oxide를 형성하는 공정
Si 46% 소비
1) 이용
- 얇은 표면 보호막: liner 산화막- 트렌치 측벽 및 바닥 결함 제거, CVD산화막의 불순물이 기판 전이 방지
패드 산화막- 층간 스트레스 완화
희생 산화막- 이온주입에 의한 실리콘 표면 손상 및 채널링 문제 방지
- 게이트 산화막
2) 공정
| Wet | Dry |
| Si+H2O -> SiO2+2H2 | Si+ O2 ->SiO2 |
| 빠름 |
균일 높은 밀도 |
| Trap density 큼 |
느림-얇은 막 형성 시 이용 |
- 장비
: Furnace
습식- Torch: 수소, 산소 연소시켜 H2O 합성
버블러: 물을 버블러로부터 증발시킴
horizontal type- 가스 주입구 및 배출구&중앙부의 균일도 차이
-> Dummy wafer 필요
현재 사용하지 않음
3. Deal-Grove model(Linear-Parabolic model)
SiO2 표면에서의 산소 농도 감소- 경계층, 산화막내 산소 공급으로 인함
FIck's law
기체 상태 확산 속도- 질량 전달 계수에 비례
고체 상태 확산 속도- 확산 계수에 비례
- 산소가스가 무한 공급된다는 가정으로 기체 상태 산소 이동 무시
- X^2+Ax=B(t+τ) at steady state condition
*t: 시간, τ: 초기 oxide 성장 시간, N: 단위 oxide volume에 결합하는 oxygen의 수
Ks=화학반응속도 상수, D= 확산 계수, A=2D/Ks , B=2DCo/N.
1) 공정 초기 (initial state)
- 표면 반응 제어 영역: Oxide 성장이 Si/SiO2 계면의 화학반응에 의해 결정
- x=B/A * ( t+τ) : 두께 증가가 time에 비례
- linear rate constant: B/A=Ks * Co/N
2) Oxidation 시간이 길어져 oxide의 두께가 두꺼울 경우
- 확산 제어 영역: Oxide 성장이 oxide 내에서의 diffusivity에 의해 결정
- X=B* ( t+τ) : 두께 증가가 t^1/2에 비례
_ Parabolic rate constant: B=2DCo/N
+ D=Do* exp(-Ea/kT)
습식 산화의 확산 활성화 에너지가 건식보다 작다
+ 습식이 건식보다 빠른 이유
: 속도 상수 B, B/A가 건식보다 더 크다
- 물이 산소보다 산화막에 더 많이 용해되므로 산화막 표면의 산소농도가 건식보다 높아 산화막내 확산이 빨라지기 때문
3) Oxidation에 영향 주는 인자
: H2O, 초기 ox 두께, 온도, 압력, Crystal orientation, Dopant 등
- 온도, 압력은 Oxidation 속도와 비레
- Crystal orientation: {111} 빠름-실리콘 결합수가 많아 산소가 실리콘과 만나기 쉽기 때문
4. 산화막 두께 측정
1) Optical
- Optical interference
- Ellipsometry: 빛의 입사 상태-> 편광 상태 변화를 확인하여 물질에 관한 정보를 구하는 방법
물질의 굴절률, 흡수 계수,막 두께, 물질 특성(균일도, 조성, 도핑 농도, 미세구조) 등 측정
2) Electrical
- Capacitance method
3) Physical Measurement
5. 산화막 품질
1) 산화막내 전하
- 문턱전압 변동 유발, 표면에서 전하 이동도 감소시켜 소자 특성 저하 문제
- Interface Trap Charge (Qit)
: Si/SiO2계면에서 Si-O 결합 끊어짐으로 인한 dangling bond에 의해 형성({100}<{111})
개선- H2 통한 dangling bond passivation: 산화 직후 낮은 온도 H2, N2, Ar aneal
- Fixed Oxide Charge(Qf)
: Si/SiO2 계면에서 35Å이내에 존재하는 Si 이온
산소부족으로 SiO2형성 못해 형성
개선- 쿨링 전 O2 가스를 N2or Ar로 치환 -> 완전 해결 불가
- Oxide Trapped charge(Qot)
: 산화막내 포획된 전자 또는 전공
산화막내 불순물 또는 끊어진 결합 등 결함이 원인
- Mobile Ionic Charge (Qm)
: 산화막내 이온에 의한 charge
알칼리 금속이온 오염이 원인
공정 중 불순물 제어, Cl추가로 제거(게더링)
2) GOI(Gate oxide integrity)
- 신뢰성 측면
: 웨이퍼 전체에 균일하고 정확한 두께로 얇은 성장 필요
소자 동작 조건에서 신뢰성 필요
- 두꺼운 게이트 산화막
: 산화막 양단의 전계가 강해지면 에너지 밴드가 휨
-> FN(fowler nordheim) 터널링 발생-> 누설전류 증가
너무 얇으면 직접 터널링으로 대기전력 소모-> 개선: HKMG
6. Deposition
- Poly Si gate, Sti 등 산화막에 이용
- 보통 LPCVD (Low Pressure Chemical Vapor Deposition)를 말함
- 외부의 주입 gas에 의하여 형성-> Si loss가 없고 Heterogeneous reaction 발생
- Deposition rate가 압력에 민감하므로 일정한 압력 유지 필요
Gas depletion이 일어나기 때문에 gas가 나중에 닿는 부분에는 온도를 올려 증착 속도를 일정하게 유지
- Poly silicon의 Deposition은 온도에 따라 grain size가 달라지므로 Gas depletion로 인한 온도조절 시 최대한 같은 온도로 진행
CVD SiO2, Silicon nitride는 Amorphous이기 때문에 온도에 따른 특성 차이가 크지 않음