반도체 공정 #2 - Oxidation

Oxidation(산화공정)

Furnace를 이용하여 Si 일부를 치환, SiO2를 성장시키는 방법.

고온(600~1200도)에서 Si를 산소(O2)/수증기(H2O)에 노출시키면 얇고 균일한 SiO2 성장가능.

 

Si to SiO2 의 merit

1. 잘자란다

2. 잘붙어있다(Good adhesion)

3. 잘 차단한다 (외부물질)

4. 다른물질 매칭시  잘견딘다.

5. HF로 Selectivity 하게 녹일 수 있다.

6. 절연성이 좋다.

7. Interface defect low (계면에서 결합이 적다.)

8. Duration good (오래 지속)

 

SiO2 사용하는 곳

1. Diffusion mask 

2. Surface passivation (보호)

표면에는 dangling bond가 존재하는데 이를 제거 함으로써 leakage current나 band bending을 줄여줌

3. Gate insulator

4. Isolation(분리)

대과거에는 Si를 SiO2로 전환하여 사용

과거에는 Locus(Local oxidation of silicon process)

Locus는 Si위에 pad Oxide인 SiO2를 깔고 그 위에 Si3N4를 깐다. 그 위에 PR을 도포하고 LOCOS원하는

부위를 PR과 Si3N4를 selective하게 에칭한다. 그 다음 공정으로 PR을 제거하고 Oxide를 성장시킨다.

LOCOS의 경우 가장 큰 단점은 Si3N4가 Oxide위로 올라오는 새 부리 모양의 bird's beak를 형성한다는

점이다. 이는 평탄화가 중요한 현대 반도체 공정에서 매우 치명적이므로 현재는 LOCOS공정을 거의 사용하지

않는다. 

좌: Birds beak와 우: Locus 공정

 

현재는 STI(Shallow Treanch Isolation) 사용중

공정으로는 Si의 일부분을 파내서 isolation시킬 공간을 정한다. 이후 Si3N4를 위에 깔고 SiO2를 bulk하게

CVD로 증착한다. 이후 Si3N4를 제거하고 CMP공정으로 평탄화 작업을 진행한다.

5. Insulating layers : Gate Oxide, interlayer dieletrics, 금속간 insulator 등으로 사용

 

Oxide 형성 방법

1. 자연 산화 방법(native Oxide): 공기 중에 존재하는 H2O나 O2를 이용해 자연적으로 산화막을 형성하는 방법

 컨트롤이 어렵다. 따라서 제거를 위해서 HF를 사용한다. 이때 Si는 소수성이고 SiO2의 경우는 친수성이기 때문에 없어 물을 이용하여 Si만 있는것을 확인할 수 있다.

 

2. 성장방식(Grown): 가장 좋은 퀄리티의 Oxide를 얻을 수 있다.

(2-1) Thermal Oxidation: 열을 가해 산화막을 형성 시키는 것.

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(2-2) Anodization(전기적 방식 성장)으로 Thermal보다 퀄리티는 낮다.

​

Thermal Oxidation: 부피는 SiO2>Si이고 열팽창계수는 SiO2<Si 이다.

따라서 고온에서 저온으로 갈때 SiO2의 경우는 압축응력을 받는다. 또한, Thermal oxidation 방식은 Si의 일부분을 SiO2로 바꾸는 것이기 때문에 Si가 반드시 필요하고, SiO2와 Si는 1:0.45의 비율로 치환되어 진다.

​

Thermal grown 성장 방식은 크게 2가지이다. Wet 방법과 Dry 방식이다.

Thermal grown - Wet &amp; Dry

Wet의 경우 Si+H2O이며 장점은 빠르게 성장시킬수 있다는 점이지만, 단점은 표면 결함이 많고 Oxide density가

낮고 insulating 특성이 낮다.

Dry의 경우 Si+O2이며 장점은 퀄리티 좋은 Oxide를 성장 시킬 수 있지만 느리다는 단점이 있지만 현재 반도체

산업 특성상 집적화가 증가해 높은 공정 정밀도를 요구해 대부분 Dry Oxidation을 사용한다.

​

3. 증착(Depo, CVD, SPutter, Evaporation): Si없는 곳에서도 증착이 가능한 방법이다. 하지만 Defect이 많다.

 

Oxidation 성장 매커니즘

​Oxide의 성장 매커니즘은 크게 초기 - 중기 - 말기로 나누어지며 각 구간에서 특징은 상이하게 나타난다.

 

oxide 성장 매커니즘

이와 같이 모든 성장 과정은 diffusion과 reaction의 상관 관계를 가지고, 초기상태에서는 Wet & Dry 공정에서 같은 기울기로 움직이며 Reaction의 지배를 받지만, 말기 상태에는 Wet & Dry 공저으이 기울기가 달라지며 Diffusion의 지배를 받게된다. 또한 이 결론을 그래프로 보면 다음과 같이 그려진다.

 

 

 

 

 

 

SiO2 기르는 장비

 

1. Furnace tube: 공기를 가열하여 대류열 전달 Batch process 이기 때문에 땅을 적게 사용한다. 이는 공정진행 속도가 빠르다는 장점이 존재하지만, Hot wall 이기 때문에 불순물에 취약하며 thermal budget이 존재한다.

 

2. RTP(Rapid thermal process): 램프를 통한 복사열로 가열을 진행한다.

 

 

 

 

Oxidation rate 변수

 

1. 온도: 온도가 올라가면 Oxidation 속도 또한 올라간다.

2. 압력: 산소 압력이 올라갈시 Oxidation 속도 또한 올라간다. 온도와 압력의 경우는 Trade-off관계이다.

온도 특정값과 압력 특정값이 서로 교환이 가능하다는 소리이다.

Ex) 온도 10도 <-> 1기압 ---> 100도 = 올리는 것 대신에 10기압을 올린다.

이때 Thermal Oxidation의 경우 고온을 사용하기 때문에 Thermal budget이 생긴다. 즉 금속이나 녹는점이 낮은 물질의 경우 고온이 치명적이므로 온도와 압력을 유기적으로 Trade시켜서 소자 열화현상을 막을수 있다.

 

​3. 결정방향: 웨이퍼의 방향이 (111)인 경우 Field circle이므로 밀도가 높다. 따라서 반응할 Si이 많기 때문에 Oxidation이 빠르게 진행되고 웨이퍼 방향 (100)의 경우 open circle이므로 상대적으로 반응할 Si이 낮아서 Oxidation이 느리게 진행된다. 초기 반응 의존의 경우만 유효하고 말기로 갈수록 (111)이든 (100)이든 반응 속도는 비슷하다.

 

4. Dopant: 보통 도핑 시 Rate는 증가하는데 3가, 5가 종류에 따라 원인이 다르다.

5가인 P나 As의 경우 SiO2보다 Si을 선호하므로(Si>SiO2) Si표면에 축적되고 이는 Reaction을 활성화 시켜

반응 의존적인 초기에 영향을 준다 - Linear constant 영향

3가인 B의 경우는 SiO2를 Si보다 선호하므로(SiO2>Si) SiO2로 침투해 Diffusion을 증가시켜서 반응 의존적인 말기에 영향을 준다 - Parabolic constant 영향

 

​5. 가스 : Cl, F같은 할로겐 원소의 경우 속도를 증가시켜준다.

할로겐 가스의 경우 Mobile charge를 줄여주고 Oxide defect을 감소, interface fixed charge 감소, stacking fault 감소, minority carrier 수명을 증가시킨다. 하지만 파이프를 부식시키며, 발암물질이고, 온실가스를 야기시킨다.

 

8대 공정중 산화공정 Oxidation 정리 완료,,, 너무 어렵다 ㅠㅠ