[반도체공정및응용] Oxidation

안녕하세요! 

오늘은 반도체 공정 과정 중 Oxidation에 대해 블로깅 해보려 합니다. 

이부분 부터 수학적 수식을 많이 배워서 그부분을 정리하기엔 시간이 많이 걸릴 것 같아 필기내용으로 대체합니다!

---

< SIO2 >

• Silicon Dioide (SiO2)

SiO2는 매우 쉽게 온도만으로 Si위에 올릴 수 있습니다. 

그렇기 때문에 SiO2의 Thermally grown장점들을 다음과 같이 말할 수 있습니다. 

ⅰ 매우 좋은 insulator

ⅱ 높은 breakdown voltage

ⅲ 공기중 안정적, reproducible(만들다 지웠다 쉬움) -> 생산성이 뛰어남

ⅳ common impurity(B, P, As, Pb)에 mask로 사용하기 좋음

ⅴ Si와 SiO2 사이의 etching selectivity가 매우 좋음

 

• Applications of Thermal Oxide

위의 장점들을 가진 SiO는 다양한 곳에서 사용되고 있습니다. 

그림적으로 정리하면 위와 같습니다. 

위 표는 SiO2가 사용되는 사용처들을 정리해 둔 것입니다. 각각에 대해 자세히 알아보겠습니다!

- Pad Oxide 

SI와 SiN(Silicon Nitride)를 직접 붙지 못하게 둘 사이에 깔아주는 oxide로 질이 좋지 않아도 괜찮습니다. 

- Barrier oxide (Liner oxide) 

trench fill 동안 사용할 영역을 막아 오염을 방지

- LOCOS (LOcal Oxidation of Silicon) Oxide

각 transistor의 고립을 위해 만드는 oxide로 bird's break의 문제가 존재합니다. 

- Masking Oxide

diffusion을 진행할 때 원치않는 부분을 SiO2로 막아주는 부분입니다. 

- Screen oxide

ion implantation에서 Si의 오염을 막고, channeling effect를 최소화 시켜주게 하는 oxide입니다. 

이때 channeling effect는 ion이 기울어져 들어오며 원치않는 곳에 doping profile이 형성되는 것을 말합니다. 

- Sacrificial oxide

희생 oxide는 Si 표면의 impurity등을 없애기 위해 SiO2를 형성시킨 것을 말합니다. 

이때 형성된 oxide는 HF strip을 통해 제거시키고 gate oxidation 이전에 꼭 진행하여야 합니다. 

이 oxide를 형성한 뒤 제거하면 defect-free Si와 high-quality gate oxide를 형성할 수 있습니다. 

- Gate oxide

IC chip에서 가장 얇은 oxide로 defect, impurity, particle이 없어야 합니다. 

- Native oxide

Si위에 thin layer로 깔려있는 SiO2를 말합니다. 

이 oxide는 어느정도 두꺼워 지면 형성되지 않는데, 이들 형성을 막으려면 Si 표면에 hydrogen을 붙여 막을 수 있습니다. 

 

• Kinetics of SiO2 growth

위에서 언급한 것 처럼 SiO2는 Si wafer를 고온(900-120℃)에서 가열해 형성합니다. 

그리고 가열하는 방법이 두가지 존재하죠. 

① dry oxidation 

        Si + O2   -> SiO2 

② wet oxidation

       Si + 2H2O -> SiO2 + 2H2

위 모두 높은 온도에서 쉽게 Si를 SiO2로 변경시킬 수 있습니다!

 

• SiO2 formation on Si

Si에 SiO2를 growth할 때 얼마만큼의 Si가 소모되는지 확인하는 방법을 다음과 같이 확인할 수 있습니다. 

 

 

< 시간에 따른 SiO2 두께 증가 - 수식적 >

중요한 부분만 설명하자면, 

① dry oxidation (Si + O2   -> SiO2)

 - slower growth rate

 - high density, high quality oxide : breakdown voltage 높고 MOS gate oxide에 사용

② wet oxidation (Si + 2H2O -> SiO2 + 2H2)

 - faster growth rate : thicker masking layer, LOCOS에 사용

한다는 점을 유의하고 각 식들과 그래프들을 이해하는 것이 좋을 것 같아요!

 

 

< Oxidation System >

• Oxidation 환경

oxidation은 Furnance, 난로에서 진행합니다. 두 가지 형태가 존재합니다. 

왼쪽은 horizontal형의 furnance입니다. 

gas로 온도 조절을 하고 온도가 균일하게 퍼지며 조절하기 용이합니다. 

여러개의 zone으로 구성되어 있죠. 

 

오른쪽은 vertical형입니다. 

이 구조의 장점은 

1) footprint(자국)가 적고

2) 많은 양의 wafer를 취급하며

3) contamination이 적고

4) 균일한 온도를 형성한다는 점이 있습니다. 

단점으로는 비싸다는 점을 가지고 있겠습니다. 

 

• Oxide characterization 

앞서 설명한 oxide들을 형성한 뒤 원하는 대로 잘 쌓았는지 측정해야 합니다. 

봐야하는 parameter는 thickness, dielectric constant, refractive index, defect density등을 확인해야 합니다. 

특히 thickness를 측정하는 방법은 다음과 같이 세가지 방법이 존재합니다. 

1. optical measurement 

 - reference color chart : 눈으로 wafer 두께에 다른 색을 확인하는 방법입니다. 

    Xo = k λ/2n으로 두께에 따라 다른 λ를 통해 빛의 색을 확인하는 것 입니다. 

 - Ellipsometer : laser로 강한 빛을 가해 편광 정도를 확인하는 방법입니다. 

2. Physical measurement 

 - Mechanical surface profiler : 표면에 stylus를 이용해 긁어내고 움직이며 두께를 확인하는 방법입니다. 

표면을 긁기 때문에 망가질 수 있다는 단점이 있습니다. 

 - high resolution TEM : gate oxide를 확인하는데 많이 사용되는 TEM을 사용하여 확인합니다. 

3. Electrical measurement

 - capacitance-voltage를 측정하여 두께를 확인하는 방법이 있습니다. 

 

 

---

이번 글은 여기까지 입니다!

수식적인 부분은 시험 문제에서 출제된 부분이 많아 필기를 첨부했으니 참고해주세욧ㅎㅎ

(수식 언급 부분이 줄어드니 oxidation의 내용이 생각보다 적어지네요)

감사합니당당