Chap. 3 산화 (Oxidation) 산화막의 용도 1)

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1 Chap. 3 산화 (Oxidation) 산화막의 용도 1)
공정 중 발생하는 Impurity에 의한 실리콘의 비저항 또는 전도율 변화 방지 실리콘 표면의 오염 방지(물리적 & 화학적) 2) 웨이퍼 표면에 Oxide로 Pattern을 형성하고, 불순물의 확산을 위해 이온 주입법으로 불순물을 주입하면 불순물은 산화막을 표면을 뚫고 침투하지만 그 속도가 실리콘보다 느려서 산화막을 두께를 적절하게 조절하면 웨이퍼 표면에 불순물이 도달하는 것을 막을 수 있다 불순물 이온 주입 SiO2 Si

2 Chap. 3 산화 (Oxidation) 3) LOCOS
하나의 IC는 수 십 개~수 천만 개의 Transistor(Tr)로 구성되는데 Tr이 형성되는 영역을 Active영역이라고 하며 Active영역이 서로 인접하여 있으면 전기적으로 상호 간섭현상이 일어난다 산화막은 이웃하는 Active영역 사이에 위치하여 서로 단절(절연)시켜주는 역할을 수행하며 Active영역간 불순물의 이동을 막는다. active active active field oxide field oxide

3 Chap. 3 산화 (Oxidation) STI (Shallow Trench Insulator)
소자의 크기가 작아짐에 따라 소자분리 영역도 좁아져 기존의 LOCOS기술 로는 분리가 불가능하므로 Si을 식각하고 산화막을 채워서 소자를 분리. Trench에 채워지는 산화막은 CVD (Chemical Vapor Deposition)방법으로 증착하며 산화막 증착 전 Trench식각 계면을 안정화 시키기 위해 Trench 측벽에 열 산화막을 형성한다 active active active field oxide field oxide

4 Chap. 3 산화 (Oxidation) 4) 절연막 (Dielectric layer)
MOS Device 용 ( )또는( )으로 사용 MOS에서 가장 중요한 역할 Gate oxide에 요구되는 성질 결함이 없고 완전한 절연막 Si와의 계면의 전기적 특성이 양호하고 안정 (trap 과 고정전하가 없어야 함) 일정전압을 가했을 때 절연이 파괴되기까지 시간이 길어야 함 일정전류를 SiO2에 흘렸을 때 절연파괴까지 달하는 축적 전하량이 클 것 SiO2가 사용되는 곳 Gate oxide Field oxide Capacity Mask Surface passivation film Isolation Pad oxide

5 Chap. 3 산화 (Oxidation) SiO2 규칙적인 사면체 구조 중심에 Si4+이온, 코너에 O2-이온 ( )
규칙적인 사면체 구조 중심에 Si4+이온, 코너에 O2-이온 가교산소로 연결되어 주기적 구조 →결정(석영); 2.65g/cm3 비가교산소을 포함하면 비주기적 구조 →비정질(silica) Si가 열적으로 산화되면 비정질 ;2.21g/cm3 ( )에 치환형으로 들어가면 가교산소의 형성을 저하시켜 결합망을 약화 ( ) 수증기가 가교산소와 결합하여 (OH)-쌍을 형성시켜 ( )를 형성 산화공정 후 수증기가 존재하면 위의 반응이 수십nm에서 일어나, PR과 접착을 방해 산화 후 °C에서 48-75시간 baking

6 Chap. 3 산화 (Oxidation) 3.1 산화 과정 및 기구 Si을 O2 또는 H2O분위기에서 고온에서 가열
확산을 통해 Si/SiO2계면에서 화학반응 → SiO2형성 건식 산화 (dry oxidation) Si + O2 → SiO2 습식 산화 (wet oxidation) Si을 소모해 가면서 산화

7 Chap. 3 산화 (Oxidation) 0.54% 0.46% 예제) 두께 x의 산화막 층이 열산화 공정에 의해 성장된다면 소비되는 Si의 두께는 얼마인가? (Si분자량과 밀도는 28.9g/mol, 2.33g/cm3, SiO2의 분자량과 밀도는 60.08g/mol, 2.21g/cm3)

8 Chap. 3 산화 (Oxidation) 산화 모델 C F : Flux (atoms or molecules/cm3•sec)
산화층 가스 실리콘 C0 : SiO2표면에서 기체 상태의 산소 농도 Cg C1 : SiO2표면에서 SiO2내의 산소 농도 C0 x0 : 초기의 SiO2두께 C1 k : 표면 반응률 상수 D : SiO2내의 산소 확산 계수 F2 F1 Cs x

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10 Chap. 3 산화 (Oxidation)

11 Chap. 3 산화 (Oxidation)

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13 Chap. 3 산화 (Oxidation) 실리콘 습식 산화의 성장률 상수 실리콘 건식 산화의 성장률 상수 Oxidation
Temperature(℃) A(㎛) Parabolic Rate Constant B(㎛2/h) Linear Rate Constant B/A(㎛/h) τ(h) 1200 0.05 0.720 14.40 1100 0.11 0.510 4.64 1000 0.226 0.287 1.27 920 0.50 0.203 0.406 실리콘 건식 산화의 성장률 상수 Oxidation Temperature(℃) A(㎛) Parabolic Rate Constant B(㎛2/h) Linear Rate Constant B/A(㎛/h) τ(h) 1200 0.040 0.045 1.12 0.027 1100 0.090 0.30 0.076 1000 0.165 0.0117 0.071 0.37 920 0.235 0.0049 0.0208 1.40 800 0.370 0.0011 0.0030 9.0 700 … 81.0

14 Chap. 3 산화 (Oxidation) 산화속도에 영향을 주는 인자 온도 : 온도가 증가하면 산화속도가 증가 ( )
( ) 2. 기판의 결정 방향 : < >wafer가 < >보다 산화 속도가 빠르다 →Si표면에서 Si결합이 많을수록 oxide의 성장 속도가 빠르다 Si/SiO2계면에서 oxide의 질은 < >가 좋다

15 Chap. 3 산화 (Oxidation) 산화속도에 영향을 주는 인자
3) 압력 : 압력이 증가하면 산화 속도 증가 (고압의 경우 저온에서 산화 가능) 포물선 성장률 상수(B)는 산화제 분압에 비례 10atm이상의 고압으로 산화속도증가 및 ( )의 감소 4) 불순물 doping : 일반적으로 ( )등이 가교 산소 결합을 끊어서 산화 속도를 증가 느린 성장 속도 : 치밀하고 양질의 산화막 : MOS gate oxide 빠른 성장 속도(습식산화) : 두꺼운 산화막 제작에 사용

16 Chap. 3 산화 (Oxidation) 3.2 산화 과정중 불순물의 재분포
편석계수(segregation coefficient); 분배계수 k0<1----그림 (a)의 경우 k0>1----그림 (b)의 경우 액상선 A A 고상선 TSL TSL 액상선 온도 온도 고상선 CS CL CL CS 용질의 농도 용질의 농도 (b) k0>1 (a) k0<1

17 Chap. 3 산화 (Oxidation) 3.2 산화 과정중 불순물의 재분포 Si내에는 불순물이 균일하게 분포
Si과 SiO2는 다른 불순물 고용도 Si → SiO2되면 계면에서 불순물의 확산에 의해 불순물이 재 분포 편석계수 = Equilibrium concentration of impurity in SiO2 Equilibrium concentration of impurity in Si 고려해야 할 사항 편석계수 불순물이 산화막을 통해서 기체분위기로 빠져나감 Si/SiO2계면이 시간이 흐름에 따라 Si안쪽으로 이동

18 Chap. 3 산화 (Oxidation) 3.2 산화 과정중 불순물의 재분포

19 Diffusion Constants at 1100℃(㎠/s)
Chap. 3 산화 (Oxidation) 3.3 실리콘 산화막의 마스킹 특성 SiO2의 중요한 특성은 고온에서 도펀트 확산에 대한 선택적이 마스크 작용 Si내어서의 불순물의 확산속도 SiO2내에서의 불순물의 확산속도 일반적인 산화막의 두께 : 0.5mm~1.0mm ( )등의 불순물에 대한 마스크로 유용 Ga, Al은 SiO2내에서도 확산 속도가 빨라서 ( )을 사용 Dopants Diffusion Constants at 1100℃(㎠/s) B 3.4 x to 2.0 x 10-14 Ga 5.3 x 10-11 P 2.9 x to 2.0 x 10-13 As 1.2 x to 3.5 x 10-15 Sb 9.9 x 10-17

20 Chap. 3 산화 (Oxidation) 3.3 산화물의 품질 산화막내에는 포획 전자, 2. 유동전하
3. 계면고정 전하, 4. 계면포획 전하 등이 존재 유동전하의 오염에 의해서 발생 깨끗한 공정에 의해 현재는 충분히 줄임 K+, Na+ , Li+등 가스의 질, 용기의 청결, 화학약품의 질, 웨이퍼의 청결, Al증착시 쳥결등이 오염도 결정

21 Chap. 3 산화 (Oxidation) 3.3 산화물의 품질 2) ( ) 산화중 생기는 과잉 Si원자에 의해
2) ( ) 산화중 생기는 과잉 Si원자에 의해 Si의 파괴된 결합은 (+)전하를 띠며, 산화 후에 양전기를 띠는 계면 고정전하층 형성 SiO2쪽으로 약 3nm안에 존재 Si표면의 결정방향에 의존 [ ] > [ ] > [ ]기판 산화율이 빠를때 계면 고정전하가 많다(고온 공정) 산화가 일어나지 않는 분위기에서 annealing하면 과잉 Si이 과잉산소와 결합하여 계면 고정 전하는 줄어든다 3) ( ) 잘 이해되지 않은 전하 계면에 있는 완전하지 못한 Si-O결합의 부산물로 계면 영역에만 존재 원인은 산화막 표면에는 항상 적은 양의 수증기가 흡수되어 있어 2Al + 3H2O = Al2O3 + 3H2, H2 + 2Si = 2Si-H 마지막 공정 단계에서 열처리를 적절히 함으로서 줄일 수 있다

22 Chap. 3 산화 (Oxidation) 3.4 산화물의 품질 4) ( )
4) ( ) 방사능 손상에 의해 : 전자선에 의한 Al증착시 x-선이 발생하여 방사능 손상을 일르킴 마지막 공정 단계에서 열처리를 적절히 함으로서 줄일 수 있다 대책 계면 고정 전하 : 유동전하 : 계면포획 전하 : 산화막 포획 전하 :

23 Chap. 3 산화 (Oxidation) 3.3 선택적 산화 LOCOS : Local Oxidation of Si
O2와 H2O는 질화막 내를 잘 확산하지 못한다

24 Chap. 3 산화 (Oxidation) 3.3 선택적 산화 STI (shallow trench isolation)
화학 기계적 폴리싱 (CMP : Chemical mechanical polishing) 표면을 평탄하게 만듬 저가, 용이하게 사용 결합을 발생할 우려

25 Chap. 3 산화 (Oxidation)