신소재 기초 실험 OXIDATION(산화공정)

OXIDATION(산화공정) 실험의 목적 반도체 소자 제조 공정 중 하나로 고온(800-1200℃)에서 산소나 수증기(H2O)를 주입시키고 열을 가해 실리콘 웨이퍼 표면에 얇고 균일한 실리콘 산화막(SiO2)을 형성 시키는 공정이다. 실리콘 산화 막은 실리콘 표면에 원하지 않는 오염을 방지하는 역할 뿐 아니라 반도체 소자에서 매우 우수한 절연체(insulator)로 전류와 도핑물질(dopant)의 이동을 막는데 사용되는 물질로 고품질의 SiO2 박막을 성장시키는 산화 기술은 반도체 공정에서 매우 중요하다.

OXIDATION(산화공정) 산화막의 용도 확산공정 Mask layer 표면 보호 도핑 방법은 산화막에 패턴을 형성하고 도펀트를 확산 또는 이온 주입 시키는 것이다. 도핑 중 도펀트는 실제로는 산화층 내로 확산된다. 그러나, 실리콘보다는 산화막에서 천천히 확산된다. 산화막 두께를 충분히 두껍게 형성한 부분은 도펀트가 웨이퍼 표면에 닿는 것을 막을 수 있다. 표면 보호 첫 번째로 표면 보호는 실리콘의 비저항과 전도도는 0.001%의 dopant로도 변화한다. 그런데 공정 중에 생긴 오염으로 인해 저항과 전도의 형태가 바뀌고, 소자의 동작이 바뀌게 된다. 산화 실리콘의 층은 두 가지 방법으로 오염을 방지한다. 첫째, 오염물이 실리콘에 닿는 것을 막아준다. 둘째 산화층이 아래로 성장해감에 따라 새로운 표면이 형성된다. 원래 표면에 있던 오염물이 산화층 위로 올라가 덜 위험하게 된다. 소자간의 격리 – LOCOS(Local Oxidation of Silicon), STI Gate capacitor

OXIDATION(산화공정) 산화막의 용도 MOSFET에서의 유전체 + - n+ MOSFET에서는 source와 drain을 연결하는 channel을 형성하는 전하를 유기시키기 위해 의도적으로 gate에 충분히 얇은 산화막을 성장시킨다. 이러한 산화막을 게이트 산화막(Gate Oxide)이라고 한다. Source(S) Gate(S) Drain(S) p-type substrate Gate Oxide - + n+ Body(B)

(Deal-Grove Model of Oxidation) 딜-그로브의 열 산화 모델 (Deal-Grove Model of Oxidation) Si기판을 고온(1000℃ 전후)하에서 산소 등의 산화성 가스에 노출시키면, Si표면이 산화되어 SiO2 막이 형성된다. SiO2 막의 질과 두께를 제어하기 위해서는 산화기구를 알아야한다. 산소분자(O2)등의 산화 종이 우선SiO2막 표면에 흡착한 후, SiO2막 중을 확산에 의해 통과하여 Si 와 SiO2의 계면에 도달하면 그곳에서 Si와 반응(산화)하여 SiO2가 형성된다. 다시말해 SiO2 내에서의 실리콘 확산도는 O2 의 확산도보다 매우 작다. 따라서 화학반응은Si-SiO2의 경계면에서 일어난다. 이는 중요한 효과로 열 산화에 의해서 형성되는 경계면은대기 중에 노출되지 않는다. 따라서 불순물에 대해 비교적 자유롭다. Si의 산화를 고온에서 하는 이유는 상온에서는 Si 및 산소분자 모두 자연 산화층을 통해 확산할 수 있을 만큼 활동적이지 못하기 때문이다. 따라서 곧 반응은 멈추게 되고 이때 산화층의 두께는 25Å을 넘지 못한다.

OXIDATION(산화공정) Deal-Grove Model은 oxidation mechanism을 설명하는 model로써, oxidation reaction은 oxide/ambient gas interface 보다는 oxide/substrate interface 에서 일어난다고 가정하고, 다음 3가지 현상들에 의해 일어난다. ① Ambient gas에서 Oxide표면으로의 확산 : F1 Boundary/Stagnant Layer Oxide Substrate δs ② Oxide Layer를 통해 oxide/substrate interface로의 확산 : F2 ③ Substrate과 반응 : F3

OXIDATION(산화공정)

OXIDATION(산화공정) 실험 순서 사용 장비 Wafer Cleaning Wet station oxidation furnace Patterning Wet station measurement Afm

Ethyl alcohol & Acetone Diluted hf etchant (hf:d.i. water = 1 : 6) OXIDATION(산화공정) Wafer clearning Ethyl alcohol & Acetone 유기물 제거 Rince in d.i. water , 360s Rince in d.i. water , 360s dry Diluted hf etchant (hf:d.i. water = 1 : 6) 10s Native oxide 제거

OXIDATION(산화공정) 산화공정 변수 Oxidants( 산화제 : H2O, O2) H2O의 용해도는 O2보다 103배 *습식 산화 : 성장율〔111〕>성장율〔100〕, T<1200℃ 성장율〔111〕=성장율〔100〕, T>1200℃ 저온에서는 linear growth rate 고온에서는 parabolic growth rate *건식 산화 : 항상 성장율〔111〕>성장율〔100〕

OXIDATION(산화공정) 산화공정 변수 2. Wafer crystal orientation(〔111〕, 〔100〕) 단위면적당 Si원자 개수 (원자밀도)=U S100 = a2 U100 = 2/a2 S111 = ½ x (√2a)2 x √3/2 = √3/2a2 U111 = 2/√3(2/a2) U111 > U100 〔100〕 a Si 〔111〕 √2a Si

OXIDATION(산화공정) 산화공정 변수 3. Dummy wafer Oxidants: O2, H2 Furnace 내에서 gas의 흐름 4. Doping concentration -많이 도핑 된 실리콘은 산화 특성이 변하게 된다. 인을 도핑하면 산화율은 비선형률 상수에 따라 변하는 것이 아니라 선형률 상수에 따라 증가하게 된다. 반면 비소는 선 형률 상수에 영향을 받지 않고 비선형률 상수에 따라 증가한다. 이런 효과들은 산화과정 동안에 불순물들이 재 분포되기 때문이다.

OXIDATION(산화공정) 산화공정 변수 5. Surface status 6. Pressure -Linear growth rate의 활성화 에너지를 낮추는 것 -표면결함을 만들어 확산계수를 변화시킨다. 6. Pressure -압력이 낮으면 산소 분압이 높이지게 되고, 산화율이 증가된다. 7. Temperature -실리콘 산화막은 수증기나 순수한 산소 분위기하에서 일반적으로 1000~1200℃의 높은 온도로 웨이퍼를 가열하면 얻을 수 있다. 이런 높은 온도에서는 수증기나 산소가 모두 실리콘 산화막으로 전이된다. 그때 산소가 실리콘 표면에 도달하면 실리콘과 결합하여 실리콘 산화막을 형성한다. 8. Time

Atomic Force Microscopy OXIDATION(산화공정) Atomic Force Microscopy Schematic of AFM Laser Photodiode Piezo Cantilever Sample x,y,z Scanner Feedback and x,y,z Scan Control Display (CD-ROM)

Atomic Force Microscopy Interatomic force vs. distance curve. OXIDATION(산화공정) Atomic Force Microscopy Interatomic force vs. distance curve.

ＤＦＭ（Dynamic Force Mode) OXIDATION(산화공정) SPM Operation Modes Contact Mode Provide atomic resolution in air Destructive method for soft sample ＤＦＭ（Dynamic Force Mode) <Non-Contact Mode> <Intermittent Mode> Nondestructive method for soft sample Suitable mode for the rough and sticky surface

OXIDATION(산화공정) 500 cycle ITO (Contact mode) OTFT (Non-contact mode) Pattern image-3D (Contact mode) Charging image-3D (Non-contact mode) Positive charge Negative charge 500 cycle