산화공정 Oxidation 성장 속도에 관여하는 변수

1. 온도(Temperature)

• 공정 초기와 공정 후기 모두 온도가 높으면 성장속도가 빨라진다. 하지만 공정초기와 공정후기의 성장 속도 상승 이유는 다르다.
• 기본적으로 반응 속도 상수 k(T)와 확산계수 D(T) 모두 온도에 관한 함수이다.
• 공정초기에는 산화막 두께가 얇아 확산계수의 영향이 적다. 즉 공정초기에는 반응지배적 성장단계(Reaction Dominant)를 가진다. 공정초기 반응지배적 성장단계에서는 상대적으로 반응 속도 상수 k(T)의 증가가 산화막 성장에 주도적인 역할을 한다.
• 공정후기에는 산화막 두께가 두꺼워져 확산계수에 대한 영향이 크다. 다시 말해 공정후기에는 확산지배적 성장단계(Diffusion dominant)를 가진다. 이는 상대적으로 확산계수 D(T) 증가가 산화막 성장에 주도적인 역할을 한다.

2. 산소압력(Pressure)

산화막 생성에서 산소 압력이 증가하면 산화막 성장 속도도 증가한다.

이는 Deal-Grove model의 C(각 층에서의 산소분자의 농도)와 관련되어 있다.

일반적으로 공정에서 성장속도를 높이기 위해 온도를 높이지만, 지나치게 온도를 높였을 때 다른 문제들이 발생할 수 있다.

대표적으로 Thermal Budget 문제가 발생할 수 있다. 예를 들어 이미 칩 제작에 사용된 메탈의 녹는 점이 낮은 경우 고온 공정이 불가능하다. 그리고 앞선 공정에서 여러 가지 다른 물질이 증착되어 있는 경우에 각 물질의 열팽창계수차로 층과 층 사이에 박리가 생겨 고온 공정이 불가능한 경우가 있다.

Thermal budget을 줄이기 위해 적정 온도로 상승 후 산소압력을 높이는 방법을 취할 수 있다.

 

 

3. 화학종 (Dry oxidation vs Wet oxidation)

건식 산화(Dry oxidation)

1. 산화제로 산소(O2)를 사용한다.
2. 산화막 성장속도가 느리지만 조밀하고 견고하다
3. 박막 품질이 좋아 두께가 얇고 특성이 좋아야 하는 MOSFET의 Gate Oxidation에 주로 사용한다.

 

습식 산화(Wet oxidation)

1. 산화제로 수증기(H2O)를 사용한다. 이때 물을 끓여 수증기를 넣는 방식이 아니라 수소(H2) 기체가 채워진 챔버 내부에 산소(O2) 기체를 넣어 챔버 내에서 수증기를 직접 생성시키는 공법을 사용한다.
2. 산화막 성장속도가 빠르지만 약한 단점이 있다.
3. 반응 속도가 빨라 두껍게 산화막을 쌓아야 하는 ILD, IMD에서 주로 사용된다.

2023.02.28 - [취업/반도체 이론 정리] - 산화막 생성 방법 (산화공정)

산화막 생성 방법 (산화공정)

 

4. 웨이퍼 결정 방향(Wafer Crystal Orientation)

웨이퍼의 결정 방향은 주로 반응 초기, 반응지배적 성장단계에 영향을 미친다. 반응 후기로 갈수록 영향은 줄어든다.

웨이퍼 결정 방향이 (100)형태인지 (111) 형태인지에 따라 면적에 따른 면밀도가 달라지기 때문에 산화막의 성장속도가 달라진다.

실리콘 결정방향 (100) & (111)

단위 면적당 원자의 개수가 많을 수록 성장 속도가 빠르다. 따라서 실리콘 기준 원자 결정 (111)이 (100) 보다 성장속도가 빠르다.

 

 

5. 도핑 농도 (Doping concentration)

• N도핑과 P도핑 모두 농도가 증가함에 따라 성장 속도가 빨라진다. 하지만 N도핑과 P도핑의 속도 증가 이유가 다르다.
• P도핑은 3가 원소 붕소(B)가 Si보다 SiO2를 더 선호한다. 따라서 도펀트가 SiO2로 몰리게 되고, 이때 SiO2 조직을 성기게 만들어 확산이 더 잘 이루어지게 만든다. 이 때문에 성장속도가 빨라진다. 이런 이유로 P도핑의 경우 반응 후기, 확산지배적 성장단계에서 효과적이다.
• N도핑은 5가 원소 인(P)가 SiO2보다 Si를 더 선호한다. 따라서 도펀트가 Si 표면으로 몰리게 되고, 이때 SiO2 조직을 성기게 만들어 반응이 더 잘 이루어지게 만든다. 이 때문에 성장속도가 빨라진다. 이런 이유로 N도핑의 경우 반응 초기, 반응지배적 성장단계에서 효과적이다.

 

6. 가스 환경 (Gas Ambient)

• 할로겐 원소(CI, F)를 넣어주면 산화막의 품질이 좋아지고 성장 속도도 빨라진다.
• 공정에서 산화막 내에 원치않은 다양한 전하가 발생해 산화막 품질을 떨어뜨리는데, 이런 전하를 할로겐 원소가 제거하는데 도움을 준다.

 

장점

1. 계면포획전하(Interface trap charge), 유동이온전하(Mobile ionic charge, 주로 공정과정에서 사람으로부터 오염되는 물질)를 감소한다.
2. Stacking fault를 감소한다.
3. 금속과 결합성이 강해 금속 오염물도 제거 해준다.

 

단점

1. 파이프를 부식시킨다. 이로 인해 보관 및 관리가 어렵다.
2. 발암물질이라 누출 시 작업자의 안전에 위협이 된다.
3. 온실가스이기 때문에 환경에 좋지 않다.

7. 시간 (Time)

반응 초반에는 실리콘 표면에서 반응이 일어나기 때문에 일정한 성장 속도를 보인다. 하지만 공정 후기로 갈수록 산화막에 의해 표면 결합은 일어나지 않고 확산에 의한 반응만 일어나게 된다.

 

8. 표면 결함 (Surface Status)

표면 결함이 있으면 활성화 에너지가 낮아져 산화막 성장 속도가 증가하게 된다.

 

9. 더미 웨이퍼 (Dummy Wafers)

챔버 내부에서 유체 역학에 의해 균일하게 모든 웨이퍼에 산화제가 퍼지지 않는다.

이로 인해 가스가 들어오는 부분과 가까이 있는 웨이퍼는 더 빨리 반응하게 된다.

이런 불균일성을 막기 위해 웨이퍼 앞뒤로 더미 웨이퍼를 놓아 균일하게 웨이퍼가 산화되도록 돕는다.

더미 웨이퍼