[반도체 8대공정] 2. 산화와 도핑 공정

1.산화(Oxidation)란? : 산화란 산소와의 결합, 수소의 떨어져 나감, 전자 수가 줄어듦을 의미하며, 환원은 산소와의 분리, 전자 수가 늘어남을 의미한다.

 

2. 반도체에서 산화(Oxidation)란? : 일반적으로 실리콘 표면에 이산화실리콘(SiO2)를 형성하는 것 = 산화막을 형성하는 것.

3. 산화막의 용도 :

  •전기절연층 : MOSFET의 GATE 전극 절연층으로 사용.

  •분리층 : 웨이퍼 위의 수천 수백개의 소자들 사이를 분리하기 위해 사용.

  •표면 보호층 : 표면이 원치 않는 손상, 입자, 가스, 이온 등으로 부터 오염되는 것을 방지

  •공정 마스크로 사용 : 식각, 도핑 공정시, 표면을 막는 마스크 층으로 활용.

4. 산화막의 방법과 종류:

•열산화(Thermal Oxidation) : Furnace를 이용하여 높은 온도(900-1200°C)에서 wet/dry oxidation을 진행하는 공정이다.  실리콘 표면에 매우 좋은 막질의 산화막 층을 만드는 공정.

•산소 : 건식 산화(Dry Oxidation):

         •불순물이 거의 없는 매우 좋은 막질의 산화막을 형성

         •산화막 성장 속도가 느림.

                -얇은 막 성장에 사용.

                -두꺼운 산화막의 막질 향상에 사용됨, 시작과 끝 부분에 사용.

•수증기 : 습식 산화(Wet Oxidation):

          •상대적으로 매우 높은 성장속도를 가짐

          •좋은 막질을 보이나, 수소가스로 인해 건식에 비해 상대적으로 막질이 좋지 않음.

•화학적 기상 증착 산화(CVD) : 열산화보다 낮은 온도에서 실리콘 표면에 공기중에서 만들어진 산화막이 덮여지는 형태로 화학적으로 증착하는 공정

5. 산화 메커니즘

1. 초기 상태에 산소가 실리콘과 직접 결합한다.
2. 시간이 흘러 산소가스는 산화막을 뚫고 들어가 실리콘층과 반응해야한다.
3. 이로 인해 산화막 성장속도는 지속적으로 감소한다.

 

6. 산화에 영향을 미치는 요인

•온도 : 높을수록 산화가 빨라진다

•결정 방향 : (111)웨이퍼가 (100)웨이퍼보다 표면에 Si가 더 많이 있기 때문에 산화막 형성이 빠르다.

•불순물 : 일반적으로  붕소, 인 등의 불순물은 실리콘의 화학적 결합을 약화시켜 산화를 빠르게 한다. 순수 산소를 이용한 산화는 밀도가 높고 막질이 좋다.

•압력 : 압력이 높을수록 산화 속도를 증가시킨다.

 

•LOCOS( LoCal Oxidation of Silicon) :

•LOCOS 공정은 소자 간을 격리하기 위해 가운데에 etching을 시킨다.

•그 다음 산화막을 형성시키면 위 그림과 같이 기존에 있던 틈새의 산화막도 영향을 받으면서 양옆이 들려진다.

•이때 들려진 부분을 Bird’s beak이라고 한다. 이 Bird’s beak으로 인해 Isolation은 될진 몰라도 소자의 Active 영역이 줄어드는 단점이 있다.

•STI(Shallow Trench Isolation) :

• LOCOS 공정의 Bird’s beak 현상을 개선하기 위해 사용되는 공정.

•ethcing한 부분에 산화막을 Deposition하는 과정이 차이가 있다.

•Deposition으로 산화막을 형성하면 Si Substrate를 소모하지 않는다. 따라서 Bird’s beak 현상을 개선하고 Active 영역을 보존할 수 있게 된다.

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1. 도핑 – 확산(Diffusion) 공정 :

•물질이 높은 농도를 가진 부분에서 낮은 농도를 가진 부분으로 전달되는 현상을 이용.

 

•확산 공정에 필요한 조건 :

1. 농도차를 적절히 설정해줘야한다
2. 온도에 따라 확산 속도가 달라진다.
3. 불순물이 안정적으로 퍼지기 위한 시간이 필요하다

 

2. 확산 공정 단계 :

  1) 전부착 단계(Pre-Deposition)

    - 실리콘 웨이퍼 안으로 불순물 주입

      -  800 ℃ ~ 1100 ℃

  2) 드라이브인 단계(Drive-In)

    - 열처리를 가해 불순물을 활성화시킴

    - 주입 깊이 및 농도 조절

    - 1000 ℃ ~ 1200 ℃

3. 확산의 두가지 Model(2단계 확산 공정):

  1) Constant Source Diffusion(고정 소스 확산)

    - 상대적 긴 Pre-dep. + 짧은 Drive-in

    - pre-dep를 오래 하면 상보에러함수 형태를 띰

    -표면 농도가 일정한 상태로 유지되게 함

    - 외부에서 dopant를 지속적으로 공급

    - 상보에러함수 형태의 확산식

  2) Limited Source Diffusion(제한 농도 조건)

    - 짧은Pre-dep . + 상대적으로 긴 Drive-in

    - drive-in을 오래하면 가우시안 분포 형태를 띰

    - 전체 도핑된 dopant 양이 일정함.

    - 외부 dopant의 공급 없음

    - 가우시안 분포의 확산식

 

4. 확산의 가장 큰 단점 : 측면확산

• 확산공정의 큰 단점중 하나로, 화학반응이다 보니 방향을 조절하기 어려워 불필요한 방향으로도 측면 확산이 이뤄져서 불필요한 부분에도 불순물이 주입되는 경우가 있다.

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1. 도핑 – 이온 주입(Ion Implantation) 공정

•불순물을 고속 운동시켜 실리콘 안으로 강제로 주입하는 공정

 

2. 이온 주입 공정 단계 :

  1) 이온 주입(Ion Implantation)

    - 가속시킨 이온을 원하는 위치에 강제로 주입함

    - 마스킹 레이어로 질화막, 산화막, PR을 사용함

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  2) 드라이브인 단계(Drive-In)

    - 주입된 이온을 활성화 시킴

    - 두께 및 농도 제어

    - 1000 ℃ ~ 1200 ℃

    - RTA(Rapid Thermal annealing)라고도 불리며, 고온이고 아주 빠르게 진행함

 

3. 농도와 주입 깊이 조절

• 낮은 에너지, 낮은 농도, 빠른 속도로 스캔할때 얕게 도핑된다.
• 고에너지, 높은 농도, 느린 스캔속도로 이온을 주입할 때 깊게 도핑된다.

4. 이온주입 시 고려할 사항

• 그림자 효과 : 이온 주입 입사각이 수직이 아닌 경우  사각지대가 생김

• 채널링 효과 : 결정구조 때문에 깊은 깊이의 이온 주입이 발생함.

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