확산을 이용한 또다른 공정으로는 Oxidation이 있다고 했죠.
Oxidation
Oxidation이란 Furnace설비를 이용해서 Si 일부를 치환하여 SiO2를 성장시키는 방법입니다.
고온(600~1200도)에서 Si을 산소나 수증기에 노출시키면 얇고 균일한 SiO2를 성장 시킬 수 있습니다.
먼저Gas가 표면과 반응해서 점점 SiO2를 생성할 건데 어느정도 시간이 지나면 이 Gas는 SiO2와 만날겁니다. 이상태에서도 gas는 침투해서 Si와 만나 SiO2를 생성하는데 이렇게 점점점 SiO2막을 생성합니다.
Oxidation 공정은 Diffusion에 의해서 Oxide를 형성하는데 그렇기에 아주 높은 밀도를 가지고 있고 또한 나중에 문제가 될 수도 있는 Si와의 계면 전하 밀도도 낮은 High quality SiO2를 생성가능합니다.
또한 투입하는 gas의 종류에 따라서 Dry/Wet oxidation으로 분류합니다.
Oxidation이란 과정은 표면을 치환하는 과정이기에 각도에 상관없이 아주 conformal한 process입니다.
Si:SiO2의 비가 0.45:1의 일정한 비율로 형성이 되는것도 상당한 장점입니다.
이러한 산화막은 어느 정도 두께까지는 linear하게 급격히 성장하고 그 이후 부터는 parabolic하게 느린 성장을 합니다. 이러한 경우를 각각 Short oxidation과 Long oxidation이라 합니다.
좀있다 말씀드릴거지만 일반적으로 Wet Oxidation이 Dry Oxidation보다 빠른데요 이때 위의 수식의 상수 B에대해서 B(wet)>B(dry)로 약 1000배 정도 차이가 납니다.
Dry VS Wet(Steam)
아래표는 Dry방식과 Wet방식을 비교한 표입니다.
몇가지만 잡아서 얘기해 드리겠습니다.
-Dry방식은 Mosfet의 gate dielectric과 flash memory의 tunneling oxide에서 주로 쓰입니다.
-Wet 방식에선 식을 보시면 알겠지만 수소가 나옵니다. 이때 나오는 수소가 박막의 계면을 건드리고 bonding을 건드려서 defect로 작용할 수 있습니다. 그래도 다른 CVD방식보단 괜찮습니다.
-Wet 방식으로는 뚜꺼운 박막 형성이 가능해서 masking이나 소자와 소자 사이를 떨어트려 주는 filed oxide로도 쓰입니다.
-screen oxide는 ion implantation을 진행할때 사용하는 mask입니다.
-Stress relive용도의 pad oxide는 나중에 isolation공정에대해서 얘기할 기회가 있겠지만 이 공정에선 SiN를 hard mask로 사용을합니다.그런데 이 SiN를 Si바로 위에 올리면 SiN는 높은 stress를 가지고 있어서 아래쪽에 영향을 줄수 있기에 SiN밑에 덧대어주는 용도입니다.
-Barrier oxide도 isolation공정에서 쓰이는 두꺼운 산화막입니다.
-Sacrificial layer는 cleaning공정에서 사용되는데 cleaning 전에 한번 oxidation을 해주면 불순물들이 SiO2안에 있거나 위에 뜨기에 불산으로 쉽게 cleaning이 가능합니다.
-Locos,STI isolation도 isolation 공정에서 소자와 소자사이에 oxide를 집어 넣어준는 방법입니다.
Oxidation process 변수
가장 기본적인 공정 온도 이외에도 산화 속도에 영향을 주는 요인들이 존재하는데요
-일반적으로 압력을 올리면 산화속도가 증가해서 산화온도를 낮춰서 저온공정이 가능하지만 장비가 대형화가 되어야하고 산화막 두께가 불균일하게 생기고 Particle의 오염이 높기 때문에 압력을 올리는 방법은 잘 쓰지 않습니다.
-결정방향에 따라서도 산화 속도가 다릅니다.
linear rate constant에서 <111>과 <100>의 차이는 결정 방향에 따른 Si bond수의 차이인데요. 단위 면적당 Si bond의 수가 <100>=6.8x10^14, <111>=11.8x10^14으로 약 2배의 차이를 보여줍니다.
그래서 결정 방향에 따라서 Linear rate conatant가 차이가 납니다.
-B 도핑 농도가 증가하면 B이 SiO2로 분리되어서 이동합니다. 그래서 oxide안쪽의 결합력을 약화시켜서 O2나 H2O가 oxide를 잘 통과해서 잘 확산하게 해줍니다.
-P이나 As는 어느 정도까지는 무관하지만 그 이상이 되면 오히려 표면 손상을 유발합니다. 이렇게 손상이 되면 Si 격자들
이 서로 묶여있지 않기에 Si과의 반응이 많이 일어나기에 Oxidation reaction rate가 증가합니다.
-Cl을 도핑했을때는 도핑농도가 증가할 수록 꾸준하게 증가합니다. HCl과 O2가 결합하면서 H2O+Cl2를 생성해내기 때문입니다.
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