Chap. 3 산화 (Oxidation)  산화막의 용도 1) 실리콘 표면 보호 (Silicon Surface Passivation) 공정 중 발생하는 Impurity 에 의한 실리콘의 비저항 또는 전도율 변화 방지 실리콘 표면의 오염 방지 ( 물리적 & 화학적 ) 2)

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1 Chap. 3 산화 (Oxidation)  산화막의 용도 1) 실리콘 표면 보호 (Silicon Surface Passivation) 공정 중 발생하는 Impurity 에 의한 실리콘의 비저항 또는 전도율 변화 방지 실리콘 표면의 오염 방지 ( 물리적 & 화학적 ) 2) 이온 주입 장벽 (Implantation Masking) 웨이퍼 표면에 Oxide 로 Pattern 을 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 Si SiO 2 불순물 이온 주입

2 Chap. 3 산화 (Oxidation) 3) 소자 분리 (Isolation)  LOCOS – 하나의 IC 는 수 십 개 ~ 수 천만 개의 Transistor(Tr) 로 구성되는데 Tr 이 형성되는 영역을 Active 영역이라고 하며 Active 영역이 서로 인접하여 있으면 전기적으로 상호 간섭현상이 일어난다 산화막은 이웃하는 Active 영역 사이에 위치하여 서로 단절 ( 절연 ) 시켜주는 역할을 수행하며 Active 영역간 불순물의 이동을 막는다. active field oxide

3  STI (Shallow Trench Insulator) – 소자의 크기가 작아짐에 따라 소자분리 영역도 좁아져 기존의 LOCOS 기술 로는 분리가 불가능하므로 Si 을 식각하고 산화막을 채워서 소자를 분리. Trench 에 채워지는 산화막은 CVD (Chemical Vapor Deposition) 방법으로 증착하며 산화막 증착 전 Trench 식각 계면을 안정화 시키기 위해 Trench 측벽에 열 산화막을 형성한다 Chap. 3 산화 (Oxidation) active field oxide STI 는 LOCOS 와 비교해 평탄한 표면을 얻을 수 있고 bird beak 가 없다 → 미세소자가 분리 가능

4 Chap. 3 산화 (Oxidation) 4) 절연막 (Dielectric layer) –MOS Device 용 게이트 절연막 (gate oxide) 또는 캐버시티 절연막으로 사용 –MOS 에서 가장 중요한 역할  SiO 2 가 사용되는 곳 1)Gate oxide 2)Field oxide 3)Capacity 4)Mask 5)Surface passivation film 6)isolation  Gate oxide 에 요구되는 성질 결함이 없고 완전한 절연막 Si 와의 계면의 전기적 특성이 양호하고 안정 (trap 과 고정전하가 없어야 함 ) 일정전압을 가했을 때 절연이 파괴되기까지 시간이 길어야 함 일정전류를 SiO 2 에 흘렸을 때 절연파괴까지 달하는 축적 전하량이 클 것

5 Chap. 3 산화 (Oxidation)  SiO 2 1) 규칙적인 사면체 구조 2) 중심에 Si 4+ 이온, 코너에 O 2- 이온 3) 가교산소로 연결되어 주기적 구조 → 결정 ( 석영 ); 2.65g/cm 3 4) 비가교산소을 포함하면 비주기적 구조 → 비정질 (silica) 5)Si 가 열적으로 산화되면 비정질 ;2.21g/cm 3 6)B 3+, P 5+ 가 Si 4+ 에 치환형으로 들어가면 가교산소의 형성을 저하시켜 결합망을 약화 주기적 구조 비주기적 구조 가교산소  수증기가 가교산소와 결합하여 (OH)- 쌍을 형성시켜 비가교 산소를 형성  H 2 O + Si-O-Si = [Si-OH + Si=OH]  산화공정 후 수증기가 존재하면 위의 반응이 수십 nm 에서 일어나, PR 과 접착을 방해  산화 후 200-250°C 에서 48-75 시간 baking

6 Chap. 3 산화 (Oxidation) 3.1 산화 과정 및 기구 Si 을 O 2 또는 H 2 O 분위기에서 고온에서 가열 확산을 통해 Si/SiO 2 계면에서 화학반응 → SiO 2 형성 1) 건식 산화 (dry oxidation) Si + O 2 → SiO 2 2) 습식 산화 (wet oxidation) Si + 2H 2 O → SiO 2 + 2H 2 Si 을 소모해 가면서 산화 Na 의 오염을 피하기 위해 quartz, polycrystalline silicon, silicon carbide 을 사용 N 2 → quartz 벽면에 불순물 제거

7 Chap. 3 산화 (Oxidation) 0.54% 0.46% 예제 ) 두께 x 의 산화막 층이 열산화 공정에 의해 성장된다면 소비되는 Si 의 두께는 얼마인가 ? (Si 분자량과 밀도는 28.9g/mol, 2.33g/cm 3, SiO 2 의 분자량과 밀도는 60.08g/mol, 2.21g/cm 3 )

8 Chap. 3 산화 (Oxidation)  산화 모델 C 산화층 가스실리콘 CgCg C0C0 C1C1 CsCs F1F1 F2F2 F : Flux (atoms or molecules/cm 3 sec) C 0 : SiO 2 표면에서 기체 상태의 산소 농도 C 1 : SiO 2 표면에서 SiO 2 내의 산소 농도 x 0 : 초기의 SiO 2 두께 k : 표면 반응률 상수 D : SiO 2 내의 산소 확산 계수 x

9 Chap. 3 산화 (Oxidation)

10 Oxidation Temperature( ℃ ) A( ㎛ ) Parabolic Rate Constant B( ㎛ 2 /h) Linear Rate Constant B/A( ㎛ /h) τ(h) 12000.050.72014.400 11000.110.5104.640 10000.2260.2871.270 9200.500.2030.4060 실리콘 습식 산화의 성장률 상수 Oxidation Temperature( ℃ ) A( ㎛ ) Parabolic Rate Constant B( ㎛ 2 /h) Linear Rate Constant B/A( ㎛ /h) τ(h) 12000.0400.0451.120.027 11000.0900.0270.300.076 10000.1650.01170.0710.37 9200.2350.00490.02081.40 8000.3700.00110.00309.0 700……0.0002681.0 실리콘 건식 산화의 성장률 상수

11 Chap. 3 산화 (Oxidation) Wet O 2 (X i = 0nm) Dry O 2 (X i = 25nm) D0D0 EAEA D0D0 EAEA Silicon Linear (B/A) 9.70×10 7 ㎛ /hr 2.05eV 3.71×10 6 ㎛ /hr 2.00eV Parabolic (B) 386 ㎛ 2 /hr 0.78eV 772 ㎛ 2 /hr 1.23eV Silicon Linear (B/A) 1.63×10 8 ㎛ /hr 2.05eV 6.23×10 6 ㎛ /hr 2.00eV Parabolic (B) 386 ㎛ 2 /hr 0.78eV 772 ㎛ 2 /hr 1.23eV

12 Chap. 3 산화 (Oxidation)  산화속도에 영향을 주는 인자 1. 온도 : 온도가 증가하면 산화속도가 증가 ( 확산이 증가, 불순물의 고용도가 변화, 주로 전 단계에서 고온에서 산화 ) 2. 기판의 결정 방향 : wafer 가 보다 산화 속도가 빠르다 →Si 표면에서 Si 결합이 많을수록 oxide 의 성장 속도가 빠르다 Si/SiO 2 계면에서 oxide 의 질은 가 좋다

13 Chap. 3 산화 (Oxidation)  산화속도에 영향을 주는 인자 3) 압력 : 압력이 증가하면 산화 속도 증가 ( 고압의 경우 저온에서 산화 가능 ) 4) 불순물 doping : 일반적으로 B, P 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 포물선 성장률 상수 (B) 는 산화제 분압에 비례 10atm 이상의 고압으로 산화속도증가 및 Bird’s beak 의 감소

14 Chap. 3 산화 (Oxidation) 3.2 산화 과정중 불순물의 재분포 편석계수 (segregation coefficient); 분배계수 k 0 <1---- 그림 (a) 의 경우 k 0 >1---- 그림 (b) 의 경우 온도 용질의 농도 액상선 고상선 온도 T SL A CSCS CLCL 액상선 고상선 A CSCS CLCL (a) k 0 <1 (b) k 0 >1

15 Chap. 3 산화 (Oxidation) 3.2 산화 과정중 불순물의 재분포  Si 내에는 불순물이 균일하게 분포  Si 과 SiO 2 는 다른 불순물 고용도  Si → SiO 2 되면 계면에서 불순물의 확산에 의해 불순물이 재 분포 편석계수 = Equilibrium concentration of impurity in SiO 2 Equilibrium concentration of impurity in Si  고려해야 할 사항 편석계수 불순물이 산화막을 통해서 기체분위기로 빠져나감 Si/SiO 2 계면이 시간이 흐름에 따라 Si 안쪽으로 이동

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

17 Chap. 3 산화 (Oxidation) 3.3 실리콘 산화막의 마스킹 특성 SiO 2 의 중요한 특성은 고온에서 도펀트 확산에 대한 선택적이 마스크 작용 Si 내어서의 불순물의 확산속도 >SiO 2 내에서의 불순물의 확산속도 일반적인 산화막의 두께 : 0.5  m~1.0  m P, Sb, As, B 등의 불순물에 대한 마스크로 유용 Ga, Al 은 SiO 2 내에서도 확산 속도가 빨라서 Si 3 N 4 을 사용 Dopants Diffusion Constants at 1100 ℃ ( ㎠ /s) B3.4 x 10 -17 to 2.0 x 10 -14 Ga5.3 x 10 -11 P2.9 x 10 -16 to 2.0 x 10 -13 As1.2 x 10 -16 to 3.5 x 10 -15 Sb9.9 x 10 -17

18 Chap. 3 산화 (Oxidation) 3.3 산화물의 품질 산화막내에는 1. 포획 전자, 2. 유동전하 3. 계면고정 전하, 4. 계면포획 전하 등이 존재 1) 유동전하 (mobile ionic charge)  유동전하의 오염에 의해서 발생  깨끗한 공정에 의해 현재는 충분히 줄임  K +, Na +, Li + 등  가스의 질, 용기의 청결, 화학약품의 질, 웨이퍼의 청결, Al 증착 시 청결 등이 오염도 결정

19 Chap. 3 산화 (Oxidation) 3.3 산화물의 품질 2) 계면 고정 전하 (fixed oxide charge) 산화중 생기는 과잉 Si 원자에 의해 Si 의 파괴된 결합은 (+) 전하를 띠며, 산화 후에 양전기를 띠는 계면 고정전하층 형성 SiO 2 쪽으로 약 3nm 안에 존재 Si 표면의 결정방향에 의존 [111] > [110] > [100] 기판 산화율이 빠를때 계면 고정전하가 많다 ( 고온 공정 ) 산화가 일어나지 않는 분위기에서 annealing 하면 과잉 Si 이 과잉산소와 결합하여 계면 고정 전하는 줄어든다 3) 계면 포획 전하 (interface trapped charge)  잘 이해되지 않은 전하  계면에 있는 완전하지 못한 Si-O 결합의 부산물로 계면 영역에만 존재  원인은 산화막 표면에는 항상 적은 양의 수증기가 흡수되어 있어  2Al + 3H 2 O = Al 2 O 3 + 3H 2, H 2 + 2Si = 2Si-H  마지막 공정 단계에서 열처리를 적절히 함으로서 줄일 수 있다

20 Chap. 3 산화 (Oxidation) 3.4 산화물의 품질 4) 산화막 포획 전하 (Oxide trapped charge) 방사능 손상에 의해 : 전자선에 의한 Al 증착시 x- 선이 발생하여 방사능 손상을 일르킴 마지막 공정 단계에서 열처리를 적절히 함으로서 줄일 수 있다 대책 1. 계면 고정 전하 : 질소 분위기내에서 1000C 에서 15-20 분 annealing 2. 유동전하 : 산화시 Cl 첨가, 청결유지 3. 계면포획 전하 : annealing at 450C 4. 산화막 포획 전하 : annealing 500C

21 Chap. 3 산화 (Oxidation) 3.3 선택적 산화 LOCOS : Local Oxidation of Si O 2 와 H 2 O 는 질화막 내를 잘 확산하지 못한다 평탄한 면을 얻기 어려뭄 간단한 프로세스 주로 사용 평탄한 면을 얻을 수 있음 다음 공정이 이러한 장점을 상쇄 잘 안씀

22 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  결함을 발생할 우려

23 전자기 재료 공정 Report I 제출일 : 5 월 25 일 실리콘 시편이 1200°C 에서 1 시간 동안 건식 O 2 을 사용하여 산화 되었다. (a) 성장된 산화물의 두께는 얼마인가 ? (b)1200°C 에서 습식 산소의 경우 0.1  m 더 두꺼운 산화물을 성장 시키기 위해서는 추가적인 시간은 얼마인가 ?

24 Chap. 3 산화 (Oxidation) C 산화층 가스실리콘 CgCg C0C0 C1C1 CsCs F1F1 F2F2 x F : Flux (atoms or molecules/cm 3 sec) C 0 : SiO 2 표면에서 기체 상태의 산소 농도 C 1 : SiO 2 표면에서 SiO 2 내의 산소 농도 x 0 : 초기의 SiO 2 두께 k : 표면 반응률 상수 D : SiO 2 내의 산소 확산 계수  산화 모델

25 Chap. 3 산화 (Oxidation)

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