안녕하세요
드디어 이번 포스팅에서 산화공정에 대한 포스팅을 끝마칠 것 같습니다.
이번 포스팅은 Oxide qulity에 영향을 주는 charges와 oxide 제조장비 및 두께측정을
하는 방법에 대해 알아보겠습니다.
MOSFET 소자에서 gate oxide는 소자의 품질에 큰 영향을 미칩니다.
gate oxdie가 형성되며 생기는 다양한 charges로 인해 이러한 carrier에 전기적 영향을 줘 mobility에
영향을 주기 때문인데요. 이러한 charge들에 대해 알아보겠습니다.
출처 : https://www.eeeguide.com/oxidation-in-ic-fabrication/
1) Interface trapped charges
Si기판에 SiO2를 증착시키면 Si표면에서 Si atom이 결합하지 못하고 남아있는 dangling bonds가 생깁니다.
이로 인해 소자를 동작할때 이동하는 carrier들을 빠르게 잡았다놨다하는 현상이 일어나는데 carriers가 잡혀있을때를 interface trapped charges라고 합니다. 결합이 빠르게 일어났다가 제거되기를 반복하기 때문에 net charge로 positive, negative, neutral 를 갖습니다.
2) Fixed oxide charges
출처 : https://gskpjone.tistory.com/entry/Dangling-Bond-%EB%9E%80
그림과 같이 interface 근처에선 규칙한 Si계면과 불규칙한 SiO2가 만나면서 일부 Si이 불완전한 결합을 해서 charge를 갖는것을 말하며 주로 positive charge를 갖습니다.
interface근처에서 발생하는 이유는 산화막 내부로 갈수록 불규칙한 SiO2가 완전한 결합을 하기 때문입니다.
3) Oxide trapped charges
산화막이 어떠한 외부 요인으로 인해 Si과 Oxidation의 결합이 끊어지면서 나타는 charge를 말합니다.
외부 요인으로는 Ion implantation, plsma etching과 같은 것이 있고 이러한 charge는 annealing을 통해 회복이 가능합니다
추가로 anneal에 대해서 말씀드리자면 H2 or foming gas(N2/H2)를 사용하여 annealing 합니다. 이때에 gas들이 dangling bonds와 결합해 interface trapped charge를 줄여주기 때문에 공정의 마지막에 성능개선을 위해 anneal 처리를 해줍니다.
4) Mobile oxide charges
보통 사람으로부터 발생하는 이 charges는 산화막내부를 이동하며 VFB값에 영향을 줍니다. 이러한 변화는 계속해서 발생하기 때문에 예측하는게 굉장히 어렵고 때문에 굉장히 문제되는 charges이였는데요.
현대에는 clean공정과 방진복등 불순물에 많은 신경을 기울이면서 사실상 가장 덜 고려되는 요소로 여겨지고 있습니다.
지금까지 계속 Oxide에 대해 알아보았는데요
이러한 Oxide를 제조하는 2가지 장비유형에 대해서 알아보겠습니다
1) Furnace Tube
열선을 이용해 벽의 온도를 높이면 내부의 공기가 뜨거워지고 이 공기가 이동하면서 열을 전달하는 대류현상을 통해 산화를 하는 방식입니다.
furnace tube에는 vertical과 horizontal 방식이 있는데 vertical방식이 더 좋습니다. 이유는 foot print가 더 작아서 생산성이 좋기 때문입니다. 단, 뜨거운 공기는 위로 올라가려하기때문에 장치내부에 온도를 균일하게 조절하는데에 어려움이 있습니다.
horizontal type - 출처 : https://www.researchgate.net/figure/Schematic-diagram-of-a-horizontal-furnace-for-the-vapor-phase-growth_fig2_244742709
vertical type - 출처 : https://www.researchgate.net/figure/Schematic-diagram-of-vertical-tube-furnace-used-in-this-study_fig1_329951279
2) RTP(=RTA)
single wafer를 놓고 Lamps를 사용해 빛을 쏴 온도를 조절하는 장치입니다.
매질이 필요없기 때문에 온도 증가 속도가 빠르지만 각 lamp의 성능이 조금씩 다를 수 있기 때문에 균일한 열전달에 관련된 문제가 있을 수 있습니다.
* Furnace 와 RTA 비교
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Furnace |
RTA |
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Batch process - through put(생산성)이 높다 |
Single wafer process - through put 이 낮다 -> 웨이퍼를 한장씩 제작하므로 모든 웨이퍼의 성능을 동일하게 만드는데에 어려움이 있다. |
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Hot wall -> furnace가 hot<->cold 과정에서 팽창수축해 particle(불순물)이 들어갈 수 있다. |
Cold wall |
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공정시간이 오래 걸린다 - 온도가 변하는데 오래 걸리기 때문에 |
공정시간이 짧다 |
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small dT/dt -> 열전달이 느려서 불필요하게 오랜시간 열을 가해줘야하기 때문에 thermal budget이 좋지 않다 |
large dT/dt -> 열의 변화가 너무 빠르기 때문에 thermal shock이 발생할수도 있다. |
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대류현상으로 열전달이 일어나기 때문에 내부공기의 atomosphere를 관리해줘야한다 |
uniformity이 좋지 않을 수 있다. |
출처 : sk hynix newsroom_https://news.skhynix.co.kr/1833
*thermal budget : 공정이 진행되는동안 웨이퍼가 받는 총 열량을 나타내는 용어로 시간,온도와 관련이 있다
이러한 장치들로 oxide를 만들었다면 이제 우리가 만든 두께가 얼마나 되는지 확인을 해야하겠죠?
대입한 조건들을 통해 원하는 두께가 만들어졌는지 확인해봐야하니까요!
oxide의 두께를 측정하는 4가지 방법에 대해 알아보겠습니다.
1) Optical interference
출처 : https://en.wikipedia.org/wiki/Thin-film_interference
빛을 이용하는 측정방법으로 빛을 쐈을때 박막 표면과 기판 표면에서 빛이 반사될때 나타나는 phase 차이를 이용하는 방법입니다.
박막과 기판의 material이 서로 다르기 때문에 reflective index가 다르고 때문에 phase의 차이가 발생합니다.
단순한 방법이고 non-destructive하지만 10nm이상 밖에 측정하지 못하는 방법입니다.
2) Ellipsometry
optical interference처럼 빛을 이용하여 두께를 측정하는 방법으로 방식은 상당히 유사합니다. 박막의 두께 측정 시 주로 사용되는 이 타원형 분광법은 빛의 polarization의 변화를 이용해 두께를 측정합니다
좀 더 자세하게 알아보면 그림과 같이 원형분광된 빛을 쏘면 타원형으로 빛이 편광되고 이를 detecting하고 modeling하여 사용하는 방식입니다.
다소 복잡하지만 0.1mm단위까지 정밀하게 측정이 가능합니다.
3) Capacitance이용
사실 공정중에는 사용하지 않은 측정 방법입니다 왜냐면 capacitance를 이용하여 측정해야하는데 공정중간에 capacitance를 만들어 측정할 수 없기 때문인데요. 때문에 최종적으로 두께를 구할 때 이 방법을 사용하는데 이 방법이 중요한 이유는 사실 실제 oxide의 두께는 중요하지 않습니다. 중요한건 전기적으로 얼마만큼의 capacitance를 저장하느냐가 더 중요한데요.
capacitance의 계산값이 실제 측정값과 다른데 이는 dielectric constant가 많은 변수의 값으로 SiO2라고해도 구조가 다소 변형되거나 불순물이 존재하면 우리가 예상한값과 달라지기 때문입니다.
그렇기에 공정이 완료된 후 capacitance를 측정해서 다음의 식에 대입해 전기적인 두께를 측정할 수 있습니다.
$\combi{x}_{ox}=\frac{A\combi{\E }_r\combi{\E }_o}{\combi{C}_{ox}}$xox=AℇrℇoCox
4) Color chart
출처 : http://www.buysemi.net/?r=s142801&c=95/106
박막의 두께에 따라서 두 phase의 빛의 interference이 만드는 정상파에 따라 특정 빛이 더 밝게 빛나는 현상을 이용해 두께를 측정하는 방법입니다.
하지만 빛을 보기 위해서는 가시광선 영역대의 간섭이 일어나야 하기 때문에 박막의 두께가 두꺼워야하는데 요즘에는 소자가 미세화됨에 따라 두께가 얇아져서 측정하는데 많이 쓰이지 않습니다.
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