Diff 공정 - Oxidation

1. Oxidation 공정

  Si Wafer은 전기가 통하지 않는 부도체인 Si으로 이루어져 있는데 첫 번째로 산화 공정 Oxidation을 진행합니다. 산화막은 보호막과 절연막의 역할을 하기 때문입니다. 절연막은 웨이퍼에 형성되는 많은 회로들의 누설 전류를 차단하기 위해서입니다. 산화막은 implant 공정에서 이온의 확산을 방지하는 역할을 하며, 식각 공정에서는 원치 않는 부분에 대해서는 식각을 못하도록 보호하는 역할을 가집니다. 

 

표 1-1 열산화의 종류

종류(Oxidation)	Source Gas	TEMP	Pressure	Oxidation Rate (동일 온도 기준)
wet	H2, O2	600℃이상	ATM(상압 산화)	Fast
Dry	O2, N2	600℃이상	ATM(상압 산화)	Normal
Radical	H2, O2	600℃이상	1Torr이하	Slow

 

  * 건식 산화 : Si(s) + O2(g) -> SiO2(s) 

    습식 산화 : Si(s) + 2 H2 O(g) -> SiO2(s) +2H2(g)

 

건식 산화는 O2 만으로 Si을 산화시키는 방법으로 성장 속도는 느리지만 막질이 우수하여 얇은 막을 형성하고 집적도가 높은 MOSFET의 게이트 산화층에 사용됩니다. 반면 습식 산화는 성장속도가 빠르기 때문에 두꺼운 산화막 형성에 사용되며 물성은 상대적으로 떨어집니다. 

 

산화 속도 Oxidation Rate에 영향을 미치는 요인을 확인해 보면 대략적으로 결정 방향, 표면 상태, 도핑 농도, 위치, 압력, 온도 시간으로 확인이 가능합니다. 1차적으로 온도, 시간, Gas량, 2차적으로 Wafer 결정 방향, Dopant, Stress, Wafer Vapor입니다.

 

시간에 따른 산화막 두께에 대해서는 Deal-Grove Model (딜-그로브 모델)을 살펴보기로 합시다.

시간이 길어질수록 산화막 두께가 증가하지만, 특정 영역 이상에서는 산소가 생성된 산화막을 뚫고 들어가 Si과 반응을 해야 하기 때문에 산화 속도가 급격히 늦어지는 점을 말하고 있습니다.

 

Linear Growth Regime에서는 Si과 O2의 반응 속도가 성장 속도를 결정하며 산화 시간이 짧으면 산화 두께가 얇을 때 공급해 주는 가스 농도에 의존합니다. 

 

Diffusion-Limited Regime은 Si 위에 산화막이 어느 정도 형성된 구간입니다. 이 구간에서는 산소가 실리콘과 반응하기 위해 산화막을 통과하여 확산하는 데 걸리는 시간이 산소가 실리콘과 반응하는 데 걸리는 시간보다는 오래 걸리므로 산소의 산화막 통과 속도가 전체 산화 속도를 결정합니다.

 

 

위에 Deal-Groove Model을 1) 반응기 유입된 O2와 같은 Bulk 기체 확산 2) SiO2층으로 확산 3) Si 표면 반응 3가지로 구분하여 본다면 각각 아래와 같이 3가지 식이 나옵니다.

 

1) Fgas = hg(Cg-Cs), 2) Foxide = Dox × (Cs - Ci) / x, 3) Fraction = KiCi

 

hg : 대류 물질 전달 계수, Cg : bulk 기체 농도, Cs : SiO2 총 농도

Ct : Si와 SiO2 계면에서 기체 농도, Ki : Si 표면에서 반응 속도 상수, x : SiO2 층 두께, Dox : 확산 계수

 

 

 

참고 문헌 :

반도체 제조 기술의 이해

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