산화 실험

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산화 실험에 대한 보고서 자료입니다.

본문내용

따라 다른값을 보이는데 즉 (111)면이 (100)면 보다 산화에 참여하는 실리콘 원자수가 많으며, 산화가 끝났을때에도 끊어진 결합수가 더 많게 되어 계면 덫으로 작용하는 밀도가 커지게 된다. 이런 이유로 실리콘MOSFET에는 (100)웨이퍼가 주로 사용된다.
Qit는 실리콘 웨이퍼의 방향외에 산화온도, 습식(건식)의 산화방식, 산소 부분압등에 따라 그값이 변하게 된다. 산화온도가 증가할수록 값은 감소하며, 산화후 열처리 과정을 통하여 더 낮은 값으로 감소가 가능하다. 효과적인 방법은 다음의 두가지 방법이다.
첫 번째 열처리는 금속 증착후 저온열처리를 하는 방법으로 습식(건식)산화 두 경우 모두산화막 속에 잔존하는 H2O가 표면의 Al과 자굣하여 수소원자가 생성되어지고, 수소원자는 표면에서 산화막/ 실리콘 계면으로 확산되어 계면에 있는 덫과 반응하여 그들이 전기적인 불활성을 갖게하여 Q값을 감소시킨다. 두 번째 열처리는 선 산화 후-고온 열처리 방법으로 산화막을 먼저 성장시킨후 고온열처리 하는 방법으로 Q값의 감소 원인은 전자와 같은 원리로 추측되어진다.
(2) 고정 산화전하(fixed oxide charge)
그림 ) Deal의 Qf - 산소삼각형에 의한 Qf 의 산화온도와 열처리 의존성
이 전하는 일반적으로 양전하이며 산화막 실리콘 계면에서 대략 30A이내인 SiOx 영역에 존재한다. 전하밀도는 산화온도, 열처리 조건 웨이퍼 방향등에 따라 달라진다. 산화 온도 및 불활성 기체 분위기의 열처리와 Q와의 상관관계는 그림 3.20의 딜-삼각형에 의하여 잘 나타내어진다.
고온에서는 산소의 확산을 통한 공급률에 비하여 높은 표면 반응률 상수로 인한 계면에서의 산화율이 크므로 과잉산소가 줄어들게 된다. 낮은온도 에서는 확산율이 산화율에 비하여 증가함을 보여준다. 산화중 산소를 차단하고 불활성 기체를 공급하면서 열처리하면, 해당온도의 Q에서 삼각형내의 직선으로 그 값이 떨어진다. 온도를 변화시키지 않고 그 상태에서 기체를 불활성에서 산소로 다시 바꾸어 공급하면 Qf는 삼각형 밑변 위치에서 직선을 그은 빗변에 해당하는 본래의 값으로 증가한다.
따라서 다음과 같이 요약이 가능하다.
온도가 증가하면 Qf는 감소한다.
불활성 기체 분위기에서는 온도가 증가해도 Qf는 증가하지 않는다.
산소 분위기에서의 열처리는 가역적이다.
고정 전하는 매우 안정되어 있기 때문에 500도 이하의 열처리에서는 아무런 영향을 받지 않으며 산화막 내의 과잉 실리콘이다. 산소결핍 혹은 하나의 양전하로 이온화된 실리콘으로 생각할수 있다. 결과적으로 Qf는 실리콘-산소의 화학량론적 불일치에 의해 발생된다고 할수 있다.
(3) 이동 이온전하(mobile ionic charge)
산화막내의 이동 이온전하 Qm은 게이트 전극에 가한 전압과 커패시턴스 측정을 통하여 광범위하게 연구되어 왔으면, 산화막의 불안정한 전기적 특성이 일반적으로 알칼리 이온들의 오염에 의한 것으로 판명되었다. 이온 전하들은 이동가능한 양전하나, 움직이는 양자,음이온으로 구성되며 여러 가지 경로로 산화막으로 유입된다.
세심한 주의를 기울여도 불순물의 유입을 완전히 차단시키기는 어려운것이며, 산화중에 불순물 유입공정을 동시에 수행하면 좋은 효과를 볼수 있다. 다음 그림은 HCl분위기에서 산화시킬때 HCl의 몰%에 따른 Qm을 나타낸다. 3% 정도의 HCl이 포함될때 이동 이온 전하의 감소가 다시 나타나다가 4% 이상이 되면 이동 이온 전하의 제거 현상이 일어난다. 이와 같은 효과는 1050도나 그 이하에서는 없어진다. 또 산화막 성장로의 튜브 역시 나트륨 발생원으로 작용하므로 주의 해야 하며 공정때에 사용되는 각종 기체와 화학물질들은 순도가 높은 것을 사용하여야 하고, 금속증착시 용기로 쓰이는 고융점 금속도 큰 원인중의 하나 이므로 BN으로 된 용기나 E-beam증착기를 사용하는 것이 좋다.
그림 ) 실리콘 산화의 HCl몰분율에 따른 이동이온밀도
(4) 산화막 포획전하 (oxide trapped charge)
이 전하는 역시 양이나 음전화가 될 수 있으며, 산화막내에 포획된 정공이나 전자에 기인된다. 이온화를 일으키는 방사광으로부터 이와 같은 전하들이 발생되면 대부분 양전하가 포획된다. 생성되는 전하는 방사광 도즈에 비례하지만, 시간경과에 따라 포화상태가 된다.
이 전하는 산화막 양단에 인가된 전계의 세기에 의해서도 영향을 받는다. 실리콘 산화막에서 일정이상의 전계가 가해지면 전자와 전공이 발생되어 산화막내에 덫에 포획되어지기도 한다. 덫은 불순물이나 끊어진 결합들에 의하여 나타나는 결함 때문에 발생하므로, Qit감소 때와 유사한 열처리를 통해 크게 감소 될 수 있다. 전자소자로 사용중에 X-선 같은 강한 입자에 의해 전자-정공쌍이 생성되기도 하고, 이온주입, 플라즈마 식각, 스퍼터링등과 같은 제조공정중의 방사광으로부터 발생되기도 한다.
【5】 산화막 두께 측정하기
표에 나온 웨이퍼 색깔과 두께를 비교해서, 산화물의 두께를 결정할 수 있다. 백색광이 웨이퍼 표면에 수직으로 비춰졌을 때, 그 빛은 산화막을 투과하여 실리콘 표면에서 반사하게 된다. 보강간섭은 반사된 빛의 특정한 파장을 강화시키고 그렇게 나타난 웨이퍼의 색깔은 강화된 파장과 일치한다. 보강간섭은 빛의 파장의 짝수 배만큼의 산화물 내부의 통과거리(2X)가 생길 때 발생한다.
2X_{ 0 } `````=``k lambda /n
여기서 K는 0보다 큰 정수이고 , n은 산화물의 굴절률이다( Si에서 n = 1.46 ). 실리콘산화막의 두께는 엘립소미터라 불리는 장비로 정확히 측정할 수 있으므로, 이 장비는 정확한 색깔표를 만들기 위해 많이 사용된다. 이 장비를 사용하면 편광된 단색광이 표면으로부터 특정한 각으로 조사되고 빛은 실리콘과 산화막 모두로부터 반사된다. 그렇게 반사된 두 빛의 편광의 차이가 측정되고, 산화막 두께가 계산된다.
d=0.1㎛ (1000'C, 2hr Si(100) dark violet)
표 1 ) 성장된 박막에 의해 관찰된 색
참고문헌
1 . 반도체(공정 및 측정) 편집부 엮음 (주)전자자료사, 1994년
2 . 반도체공정기술, 황호정, 생능출판사, 2000

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