(1) diffusion 공정이란?
<WHAT>
: chamber 내에서 투입된 불순물 gas 또는 기판 위 증착된 불순물 물질을 기판으로 침투시켜 불순물을 doping하는 공정.
(확산 원리 이용 → diffusion 공정이라 부르게 됨)
<WHY>
: doping.
cf) doping 목적의 diffusion 공정은 junction의 깊이가 깊고 소자의 size가 큰 bipolar 공정에서 적용되어 왔으나,
isotropic doping profile과 오랜 공정 진행시간, bipolar에서 MOSFET 공정으로의 전환으로 인해 ion implant 공정으로 전환되었다.
<parameter>
: 불순물의 농도, chamber 온도, 확산 시간, 분위기(주위 가스), 대상 기판의 격자결합 상태.
<HOW>
: 100~200장의 wafer를 quartz boat에 세로로 세워 배치하고, chamber 내에서 1000도 이상의 온도까지(고온공정) 올려 24~48시간 진행.
ⓛ 고체 상태로부터의 doping (solid source diffusion)
: doping할 불순물을 포함한 층을 silicon 표면에 형성 → 고온 상태에 두면 silicon 표면을 통해 불순물이 내부로 확산.
② gas 상태로부터의 doping (gaseous source diffusion)
: 고온의 furnace 안에 도핑할 불순물이 포함된 증기에 silicon을 노출하여 doping 후 확산. (2step으로 진행)
(boron doping의 경우 B2O3/BN gas 사용. phosphorus doping의 경우 P2O5 gas 사용.)
step1) pre-deposition
: dopant gas에 N2 gas나 Ar gas를 혼합하여 1000~1250℃에서 짧은 시간동안 가열.
→ dose를 결정하는 단계 (dose 조절).
step2) drive-in
: 고온(1300℃)에서 O2나 수증기를 이용하여 산화막 형성 후 장시간 가열 → silicon내 깊숙히 확산.
→ doping 깊이를 결정하는 단계 (profile 조절).
(2) oxidation 공정이란?
<WHAT>
: 고온의 chamber에서 silicon 기판을 산소와 결합하여 SiO2 산화막을 만드는 공정.
<WHY>
: 반도체에 필요한 유전체나 절연체를 산소 화합물의 결합으로 만든다.
→ MOS capacitor의 oxide / 소자나 다른 junction 간의 격리(LOCOS)하는 oxide에 사용.
* oxide의 역할
- 공정 시 발생하는 오염물질이나 화학물질로 생성되는 불순물로부터 실리콘 표면을 보호하는 역할(surface passivation).
- 이온 주입법으로 주입된 불순물이 웨이퍼 표면에 도달하는 것을 막아 주는 든든한 보호막 역할(hard mask).
- 웨이퍼 위에 그려지는 각 배선이 합선이 되지 않도록 구분해주는 절연막 역할(isolation, insulation).
- MOS capacitor의 oxide(gate insulator).
<parameter>
* oxdation rate에 영향을 주는 인자
- temperature
: 온도↑ = oxidation rate↑ - oxidation species
: wet > dry oxidation - oxidation gas pressure
: 압력↑ = oxidation rate↑ - crystallographic orientation of Si substrate
: {111}면족에서oxidation rate↑ (※ reaction rate에 영향을 받는 linear 거동일때만 해당)
∵ Si 기판에서 {111}면족이 최조밀충진면 → 반응을 가장 잘함. - substrate doping
: doping이 되어있는 게 안되어있는 것보다 oxidation rate↑ - gas ambient
: ex) halogenic oxidation
<HOW>
- 고온(800~1,200℃)에서 산소나 수증기를 웨이퍼 표면에 뿌려 얇고 균일한 실리콘 산화막(SiO₂)을 형성.
- 열산화, 전기 화학적 양극 처리, PECVD 등 여러 가지 방법이 있지만,
고온의 환경에서 웨이퍼에 산화막을 형성하는 열산화를 가장 많이 사용.
(열산화 방법은 dry oxidation과 wet oxidation으로 나뉨)
| DRY oxidation | WET oxidation |
| O2 gas를 주입 | 수증기(H2O)를 주입 |
| 동일한 온도에서 같은 두께의 산화물을 형성하는데 습식산화 보다 더 많은 시간이 필요 |
동일한 온도와 시간에서 얻어진 산화막은 건식산화를 사용한 것보다 약 5~10배 정도 더 두꺼움 ∵ open oxide → lower density(ρdry=2.25g/cm3, ρwet=2.15g/cm3), weaker structure. |
| 얇고 균일한 막 형성 → 전기적 특성이 좋은 막 형성 가능 → capacitor 유전체 만드는 데 사용 |
막질의 quality가 상대적으로 좋지 않음 but, 많은 양과 높은 두께의 산화막 형성 → 소자 간 절연막 만드는 데 사용 |
*CVD로 만드는 oxide와의 차이
| Oxidation | CVD |
| 계면의 변화가 있다 | 계면의 변화가 없다 |
| 순수하게 O2 source만을 공급하여 oxide 형성 → 불순물이 없는 안정적인 oxide 형성 가능 |
Si를 포함하는 gas와 O2를 포함하는 gas를 이용하여 형성 → 불순물 포함 → oxide의 quality가 좋지 않으므로 capacitor로는 사용불가 isolation용 절연막으로 사용 |
* oxidation 공정의 dangling bond
- 접합 계면에서의 단결정 silicon 원자가 silicon 원자나 다른 원자와 결합을 하지 못하고 옥텟 규칙이 깨지게 되어 1개의 빈자리가 발생한 것.
- 불안정한 상태.
→ trap으로 작용하여 전기적 특성 저하. transistor의 동작에 영향. (ex. Threshold voltage shift) - 해결방안
: annealing을 통하여 H2 gas를 침투시키면 수소 원자와의 결합에 의해 빈자리가 사라짐 → 안정적인 결정상태.
∴ oxidation 공정에서는 H2 gas를 항상 같이 넣어준다.
but, 제품을 오랫동안 사용하다보면 접합 계면의 수소가 하나씩 떨어져 나가면서 전기적 특성이 열화될 수 있다.
→ 소자의 신뢰성 평가 항목에 포함하여 검증.
<참고문헌>
이창훈, 반도체 소소제공, 더인 출판사, 2019, pp.190-194.
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