반도체 공정_산화막 공정

기판에 산화막(SiO2)을 만드는 방법에는 ①Oxidation 과 ②Deposition 방법이 있습니다.

그리고 이번엔 포스팅 주제인 Oxidation 에 대해 중점적으로 다뤄볼게요

*insulator로 SiO2를 사용하는데 이는 SiO2가 GeO2보다 insulator로서 더 좋은 재료이기 때문입니다

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그럼 기판을 든든하게 보호하는 산화막(SiO2)에는 무슨 특성이 있을까요?

① 쉽게 성장하고 증착됩니다(easily grown or deposited)

② 잘 붙습니다(adhere well)

③ 외부물질을 확산으로 잘 차단합니다(diffusion barrier)

④ 대부분의 화학물질로부터 특성을 잘 유지합니다(resistant to chemicals)

⑤ 'selective'하게 etching된다(HF용액)

⑥ 우수한 insulators다 - break down voltage도 높다

⑦ 계면에 생기는 defect가 적다

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약간의 설명을 덧붙이겠습니다

산화막의 diffusion barrier 특성을 활용해 불순물을 차단하는 모습

그리고 ⑦에서 산화막은 amorpous이고 Si은 완벽한 결정이기 때문에 안만나는 bonding이 생길 수 있고 이러한 부분에서 defects가 생깁니다. 그런데 여기서 defects란 우리가 생각하는 구조적인 관점이 아닌 전기적 관점에서의 defects 입니다.

이러한 defects가 적다면 우리는 surface charge들을 덜 고려해도 된다는 이점을 얻습니다.

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SiO2의 이용

① diffusion masks : 외부물질 차단

② surface passivation : ionbombard등으로부터 기판보호

③ gate insulator(MOS)

④ isolation, insulation

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그런데 사실 ③에 gate insulator로서 사용되는 물질은 HfO2(하프늄옥사이드)로 대체되었습니다.

이는 MOS에서 oxide layer의 두께는 감소시키면서 capacitance를 크게 만들어야하는데(속도를 증가시키기 위해) 기존의 산화막으로 capacitance를 크게 만들면 자연스럽게 두께가 증가하게 됩니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 유전상수가 큰 물질인 하프늄옥사이드로 대체되었습니다. 하지만 하프늄옥사이드는 절연체(insulator)로서는 좋지 않기 때문에 전하저장하는 목적이 아닌 그외의 부분에서는 여전히 SiO2가 사용되고 있습니다.

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④ isolation, insulation으로 사용되는 SiO2

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SiO2 성장 시 고려할 사항

① thick의 변화

Si substrate가 공기층의 O2와 결합하면서 SiO2를 형성하게 되면 어떤 변화가 일어날까요?

$\rho _{sio2}=2.25\ gm/\combi{cm}^3\ ,\ GMW\ =\ 60$ρsio2​=2.25 gm/cm3 , GMW = 60​

$\rho _{si}\ =\ 2.3\ gm/\combi{cm}^3\ ,\ GMW\ =\ 28\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \cdot GMW\ =\ molar\ weight$ρsi​ = 2.3 gm/cm3 , GMW = 28              ·GMW = molar weight​

위 수식을 통해 무게는 2배차인데 밀도가 비슷하다는 것을 알 수 있습니다. 즉 부피가 2배차이라는 말과 같은데요.

이러한 변화때문에 Si + O2 -> SiO2 반응이 일어나면 interface는 내려가고 두께는 증가한다는 것을 알 수 있습니다.

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② 열팽창계수,TCE(Thermal coefficient of expansion)

온도가 1K 올라갈때마다 고체가 얼마나 팽창하는지를 나타내는 척도입니다. 즉 높을수록 온도의 변화에 민감하다고 할 수 있죠. 그리고 TCESIO2 < TCEsi 이기 때문에 다음과 같은 일이 발생합니다.

TCE차이에 의해 Si이 더 많이 수축하지만 기판의 두께가 산화막보다 훨씬 두껍기 때문에 산화막이 압축응력을 받게 됩니다(산화막과 기판이 강하게 결합하고 있기 때문에) 이러한 응력으로 기판의 변화를 따라간다고 생각하시면 이해하기 쉬울 것 같습니다.

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추가로 TCE에 대해서 조금만 더 다뤄보도록 하겠습니다.

기판이 더 무거울때 TCE차이에 따라 어떠한 차이가 발생할까요? 그리고 앞서말한 응력이 너무 커진다면 또 무슨 일이 일어날까요? 2가지 경우에 대해 짧게 알아보겠습니다. ( 산화막을 film 이라고 하겠습니다 )

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다소 길었나요..? 걱정마세요! 오늘의 마지막 내용입니다

SiO2를 만드는법에 대해서 알아보겠습니다

① Native Oxide : 공기층에서 자연히 생성된 SiO2

② deposition

③ growth

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native oxide 는 사실 엔지니어적으로 보면 좋지 않은 재료입니다. control이 어렵기 때문이죠.

그래서 우리는 용액(HF:H2O = 1:100)을 사용해서 oxide 를 제거한 후에 공정을 진행해야 합니다.

그런데 아주 조금의 실수도 허용해서는 안되는 초미세공정인데 제거가 잘 되었는지 확인해봐야겠죠?

우선 SiO2 는 hydrophlic(친수성) 하고 Si 은 hydrophobic(소수성)의 성질을 갖고 있습니다.

예상하셨나요? 용액으로 oxide를 제거 한 뒤에 물을 묻혔을때 그 물이 묻지 않는다면 말끔하게 native oxide가 제거된것 이므로 다음의 공정으로 넘어가주시면 됩니다.

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deposition 나중에 다루도록 하겠습니다

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growth - 가장 좋은 qulity를 갖을 수 있고 thermally / anodiation 의 2가지 방식이 있습니다.

그리고 우리는 thermally한 방식을 사용하고 여기에는 wet 방식과 dry 방식이 있습니다.

 

dry 방식 wet 방식

-산소를 사용한 Si+O2->SiO2의 반응 -물을 사용한 Si+H2O->SiO2+2H2

-dense한 oxide growth -more open oxide->lower density(두께가 더 두껍다)

-전기적특성이 좋다 -weaker structure

-성장 속도가 느리다 -성장 속도가 빠르다