SiO2
특성
1) Thermal oxidation된 SiO2는 density가 2.2g/cm^3이고 amorphous 구조
2) Thermal oxidation된 SiO2는 Si에 adhesion이 좋음
3) CTE(Coefficient of Thermal Expansion)이 Si와 비슷해 계면에서 stress가 거의 생기지 않음
4) 녹는점 1732°C -> 고온 공정 사용 가능
5) 좋은 dielectric 특성(high dielectric strength, high resistivity, high energy bandgap)
6) Si와 etch selectivity가 좋음 -> SiO2는 HF에 etch
사용
1) Device 보호, 오염원 isolation
2) Gate oxide -> high quality, no contamination, excellent uniformity
3) Doping mask barrieer -> 도핑 공정에서 mask로 사용
4) Dielectric layer between metal layers -> metal layer 사이에서 분리시켜주는 절연체 역할
산화공정에서 고려해야할 사항 1) Thermal budget: temperature x time값
*값이 크면 dopant가 원치 않게 diffusion 될 수 있음, ohmic resistance가 높아짐
2) Oxide thickness -> 두께에 따라 공정 속도를 고려하여 선택
3) Film properties -> 특성(uniformity, defect, adhesion...)에 맞는 공정 선택
CVD: SiH4 precursor를 주입하여 target 기판에 산화막 증착
Thermal oxidation: O2 or H2O가 Si기판과 반응하여 산화막 생성
| CVD(Chemical Vapor Deposition) | Thermal Oxidation | |
| Si 기판 소모 | 기판 소모 X | 기판 소모 O |
| 계면 | 계면 그대로 유지, 기판 위에 증착 | 계면을 파고들어가며 성장 |
| SiO2 생성 과정 | Si 전구체(SiH4) 주입 필요 | Si 기판 소모하며 성장, 전구체 주입 필요 X |
| 기판 종류 | 모든 기판 가능 | Si 기판에서만 성장 가능 |
| 공정 온도 | 저온 공정 (< 400°C) | 고온 공정 (750~1200°C) |
| 용도 | -층간 절연막(Interdielectric layer) -보호막(Passivation layer) |
-Field Oxide -Gate Oxide |
Thermal Oxidation
*Furnace 내부는 900°C이고 외부는 25°C이므로 빠르게 넣으면 thermal stress로 인해 웨이퍼가 깨짐
Boat 양 끝에 있는 wafer는 overoxidation된 Dummy wafer로 균일하지 않아 폐기함
Dry vs Wet Oxidation
Thermal oxidation에는 Dry, Wet 두가지 종류가 있음
Dry Oxidation: Si(s) + O2(g) -> SiO2(s)
Wet Oxidation: Si(s) + 2H2O(g) -> SiO2(s) = 2H2(g)
| Wet Oxidation | Dry Oxidation | |
| 산화제 | H2O(g) | O2(g) |
| 성장 속도 | 빠름 | 느림 |
| 산화막의 밀도 | 낮음 | 높음 |
| 산화막의 질 | 나쁨 | 우수함 |
| 용도 | Field Oxide(두껍고 분리해주는 역할) ~100nm |
Gate Oxide(얇고 고품질 막) ~5nm |
*H2O가 O2에 비해 SiO2에서 diffusion이 빠르고 solubility가 좋음
산화 속도(Reaction rate vs Diffusion rate)
Thermal oxidation: O2 or H2O가 극초반에는 Si에 직접적으로 닿으면서 산화막 생성,
이후에는 생성된 SiO2를 diffusion으로 통과해서 Si 기판에 도달하여 생성
Deal-Grove Model: oxide growth는 linear과 parabolic step으로 나눠짐
linear step -> 초반 산화막 성장, O2 or H2O와 Si의 반응 속도에 의존
parabolic step -> 이후 O2 or H2O의 diffusion 속도에 의존
산화공정 Factors
1) Dopant effect: Dopant가 Si의 결합을 약하게 하므로 Dopant가 많을 수록 Si가 산화를 더 빠르게 됌
2) Crystal orientation: (111)silicon crystal이 밀도가 커서 반응성이 좋으므로 (100)보다 linear step에서 산화가 빠르게 됌
*결정면이 diffusion에는 영향을 안주므로 parabolic step에서는 산화 속도 같음
3) Pressure, Temperature: 압력이 높고 온도가 높을 수록 산화가 빠르게 됌
Issues
Si/SiO2 계면에는 Dangling bond와 다양한 defect들 존재
Defect charges -> positive fixed oxide charge, interface-trapped charge, mobile oxide charge, oxide-trapped charge
해결책
1) Annealing in hydrogen or forming gas -> 결합 안한 Si의 dangling bond를 제거
2) chlorine-contaning gas -> HCl과 같은 가스를 주입해 양이온들을 Cl과 반응시켜 neutralize시킴
ex)Na+ -> NaCl
LOCOS vs STI
1) LOCOS(Local Oxidation of Silicon) -> silicon 기판과 electrically isolation시킴, Thermal oxidation 사용
하지만 Thermal oxidation은 lateral growth도 있기 때문에 Nitride mask 아래로도 성장(bird's beak effect)
또한, LOCOS는 큰 구조물로 소자가 미세화되면서 사용이 불가능해짐
2) STI(Shallow Trench Isolation) -> silicon 기판과 electrically isolation시킴, 증착 공정 사용
Thermal oxidation 방식이 아닌 deposition 공정을 사용하며 bird's beak effect를 없애고 크기 또한 줄임
소자가 미세화 되면서 현재 사용중인 Isolation 구조물
장비
Furnace vs RTP
1) Furnace: Horizontal furnace와 Vertical furnace가 있지만 공간 활용도를 고려하여 vertical furnace를 사용함
장점 -> 온도 control과 uniformity가 좋음, 한 번에 여러 웨이퍼 가능해 공정 속도 빠름
단점 -> Thermal budget이 비교적 높음
2) RTP(Rapid Thermal Processor): 여러개의 tungsten lamp로 웨이퍼 한 개씩 빠르게 열을 올리고 식히는 공정
장점 -> Thermal 시간을 줄여 thermal budget 최소화
단점 -> 급격한 온도변화에 Thermal stress 증가, 한 장 씩 해서 공정 속도 느림
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