[반도체 공정] Oxidation - 1 (정의, Process, LOCOS, STI)

Oxidation 이란?

 

Si 위에 Gate oxide 역할을 하는 SiO₂을 증착하기 위한 공정으로 사용.

Si 웨이퍼 위를 산화(Oxidation)시키면 SiO₂을 증착시킬 수 있어, 손쉽고 값싼 공정으로 분류됨.

공정 온도(열) 조절을 통해 diffusion을 제어하는 공정.

산화막을 통해 누설 전류 방지, 소자 간 분리, 불순물 확산 방지의 역할을 하게 됨

 

방법에 따라서 Wet / Dry / Radical oxidation으로 분류됨.

특성	Wet Oxidation	Dry Oxidation	Radical Oxidation
Source gas	수소 +  산소	산소 (+질소)	수소 + 산소
Temp.	600도 이상
Pressure	상압 산화		진공에서 산화
Oxidation Rate (동일온도)	Fast	Normal	Slow
막질	나쁨	우수
막의 두께	두꺼운 막	얇은 막

 

 

 

SiO₂

 

특징

1. Oxidation의 결과로 SiO₂가 형성됨

2. SiO₂는 결합 길이와 각도로 인해 특정한 결정 구조를 갖지 못하고 항상 비정질(Amorphous) 구조를 유지함

3. Si위에 SiO₂을 산화시키면, Si을 소비하면서 SiO₂가 자라게 됨

• Oxidation 이후 생성된 SiO₂의 두께를 t_ox라고 설정.
• Initial Si surface을 기준으로 위로 0.54t_ox, 아래로 0.46t_ox가 형성됨 

장점

1. SiO₂의 좋은 insulator 기능
   → 전류 차단 능력이 높음
   MOSFET은 Gate에 전압을 인가하면, 전류와 E-field가 형성됨
   → Energy band가 커서 전류는 막고 E-field는 차단할 수 있음
   → MOS 소자의 게이트 산화막, 초기 DRAM의 Capacitor 유전막으로 사용
2. 높은 breakdown E-field
   외부의 강한 E-field가 가해져도 견딜 수 있음
   
   
3. Si와 SiO₂의 경계면이 안정함
   → 경계면에서 dangling bond가 형성됨
   → 다른 물질에 비해 SiO₂가 interface trap이 적게 형성됨
   
   
4. Oxide의 성장이 균일함
   모든 방향에 대해서 일정하게 성장함
   
   
5. Mask로서 좋은 역할
   SiO₂는 dopant을 잘 막아서 노출된 Si에만 doping 됨
   
   • Si에서 확산이 더 빠른 물질 :붕소(B), 인(P), 비소(As)
   •  SiO2에서 확산이 더 빠른 물질 : 갈륨(Ga)
6. 높은 에칭 선택비 (good etching selectivity)
   HF에 담그면 SiO₂을 담그면 SiO₂는 깎을 수 있지만 Si는 깍지 못함.

 

 

Si/SiO₂ interface

 

Oxidation 과정 중 산소나 다른 Si 원자들과 결합하지 못하는 Si 가 생김

→ 결합이 되지 않은 곳들을 dangling bond라 부름

→ 이러한 dangling bond는 전자의 이동을 막는 Trap으로 역할을 함

 

Oxidation 이후 생성된 dangling bond을 줄여야 함

→  forming gas(5% H₂ in N2)을 통해 열처리

→  dangling bond을 줄여 전자가 trap 되는 것을 방지

 

 

Process

 

Furnace → RTA  → Laser Anneal의 방법으로 진화

공정 시간 단축 및 thermal budget을 줄이기 위해 공정이 진화됨

종류	Furnace Anneal	Rapid Thermal Anneal (RTA)	Laser Anneal
가열범위	Wafer 전체		Wafer 표면 일부
열원	Coil	Halogen Lamp	XeCl or KrF excimer laser
가열 시간	수 시간	2분 이내	0.1초 이내
가열 온도	~ 1200도	1300도	2000도
방식	Batch type (여러 웨이퍼 동시처리)	Single wafer	Single wafer
장점	동시에 여러 웨이처 처리 가능	표면만 열처리 진행 짧은 공정 시간
단점	하부 구조가 열에 취약하면 불가 긴 공정 시간	한번에 한 웨이퍼만 가능

 

 

LOCOS 공정

LOCOS 공정

 

LOCOS(Local Oxidation of Silicon)

  산화 공정시 질화막이 잘 산화되지 않는 특성을 이용하여 실리콘이 노출된 부분만 두껍게 열 산화막을 만드는 공정

 

Bird's beak

  새의 부리 같다는 뜻에 bird's beak으로 불림

  산화되면서 두께가 변화하여 부피가 팽창하는 부분을 말함

 

현재 사용하지 않는 이유

  소자 사이가 가까워 짐에 따라(scaling) bird's beak가 문제가 됨

  bird's beak로 부피가 팽창하여 다른 소자나 회로를 건드려 불량을 만듦

  →  STI 공정으로 대체됨

 

 

STI

STI 공정

STI (Shallow Trench Isolation) 공정

• 소자와 소자 사이에 식각 공정으로 트렌치(trench)를 형성하고 그 공간에 부도체를 채워 넣는 방식
• 산화막이 전기적인 trap을 제거하여 소자의 누설 전류를 억제

 

 

REF

 

도서

반도체 제조 기술의 이해 (곽노열, 한울출판사)

반도체 이론편 (렛유인)

반도체 이론편 (엔지닉)

 

유튜브

https://www.youtube.com/@DevicePhysics