01. 확산(Diffusion) 주요 공정

확산

 

반도체제조 공정에서 금속공정이전의 산화공정, 열처리 공정을 담당

 

종류로는 크게 산화공정 / 확산공정 / LP-CVP 가 있다.

 

확산 주요 공정

 

산화공정의 개념

 

반응로에서 고온(800-1200도)에서 산소나 수증기를 실리콘 웨이퍼 표면과 화학반응을 시켜 얇고 균일한 실리콘 산화막 을 형성시키는 공정

산화막 형성은 실리콘 집적회로 제작에서 가장 기본적이며 자주 사용됨

실리콘 공정에서는 열산화막이 많이 사용되고, 그외 실리콘 기판 위에 산화막을 형성하는 방법은 산화막을 형성하는 온도에 따라 다양함

실리콘 웨이퍼의 표면을 산소와 반응시켜 실리콘 산화막을 형성하는 것으로 산화막의 두께 조절이 쉽고, 실리콘과 산화막 사이의 계면 특성이 우수하여 반도체 공정에서 주로 사용하고 있음

 

건식산화

산소를 반응로 내부로 주입하여 산소와 실리콘을 반응시켜 실리콘 산화막을 형성하는방법

 

습식 산화

pyro 수증기를 반응으로 내부로 주입하여 수증기와 실리콘을 반응시켜 실리콘 산화막을 형성하는 방법

Pyrogenic을 이용한 습식 산화 장치도

 

Heating Mantle과 Bubbling을 이용한 습식 산화

습식 산화는 수증기를 고온의 전기로에 주입하는 방식으로 수증기를 불어 넣기 위해서 맨틀을 이용하여 수조 안에 들어있는 DI Water를 가열하고, 캐리어 가스로 N2를 사용하여 DI water를 버블링시킴으로써 전기로로 수증기를 불어넣어서 산화막을 형성함

 

산화방법에 따른 산화막 비교

산화막 형성 방법에 따라 산화막 특성이 다르고 용도가 구별됨

 

건식 산화

• 산화속도가 느리지만 막질이 우수하여 얇은 산화막 형성에 사용 -200Å
• 패드산화막 Pad Ox 게이트 산화막 Gate OX, STI Liner Ox 등에 사용

습식산화

• 산화 속도가 매울 빨라 두꺼운 산화막 형성에 주로 사용
• 필드 산화막 (Filed Ox), 희생 산화 등에 사용

 

산화막의 정의 및 역할

 

산화막의 정의

 

산화막

반도체 공정에서 가장 핵심적이며 기본적인 물질

 

열산화 방식

• Thermal Oxidation 으로 형성되는 산화막 형성방법
• 산화막을 형성하기 위한 가장 쉬운 방법
• 실리콘이 반도체 재료로써 가장 각광받는 이유

 

산화막의 역할

1) 트랜지스트에서 Gate 유전체 물질 및 Capacitor 에서의 유전체 물질로 사용하고, 반도체 소자의 내부에 캐리어들의 이동을 막고 전기를 절연시켜주는 절연체

 

2) 수많은 소자들로 구성되는 집적회로의 제조공정에서 소자와 소자간의 격리를 요구할 때 사용 (LOCOS 혹은 Trench)

3) 실리콘 기판상에 원하는 불순물을 도핑하는 공정 (Diffusion, Ion Implatation 등) 에서 도핑이 되면 안 되는 영역의 확산 방지막 역할

 

4) 실리콘 기판 혹은 박막의 건식 식각(Dry Etching) 혹은 습식식각 (wet Etching)시에 식각 (Etching) 방지막 으로도 사용

 

5) 산화막이 알칼리용액, 불소가 첨가되지 않은 산성용액 그리고 일부 건식 식각용 반응기체 등과 잘 반응하지 않는 안정적인 성질을 가지고 있음

 

6) 외부의 물리적인 오염 (긁힘 ,먼지, 오염)으로부터 웨이퍼 표면을 보호

 

7) 웨이퍼에 이온 주입시 원하지 않는 부분을 산화막으로 막고, 산화막이 없는 부분에만 이온 주입하는 이온 주입 시의 마스크 역할

 

확산공정(열처리공정)

확산

매질을 통해 고농도에서 저농도로 물질이 이동하는 물리적인 현상

반도체 제조에서 고체인 실리콘 웨이퍼에 불순물 원자(Dopant)를 도핑하고, 원하는 깊이만큼 불순물 원자를 이동시키는 것

 

열처리에 의한 방법

웨이퍼가 적재되어 있는 반응로에 불순물 원자를 포함하는 가스를 주입하여 실리콘 표면에 불순물 원자를 얇게 증착한 다음, 반응로에서 1100℃ 이상의 고온 열처리를 하여 불순물 원자를 실리콘 웨이퍼 내부로 원하는 깊이만큼 확산시키는 방법

 

이온 주입 + 열처리

이온주입기를 이용하여 또는 원하는 불순물 원자를 실리콘 웨이퍼에 주입한 다음, 반응로에서 1100℃ 이상의 고온 열처리를 하여 불순물 원자를 실리콘 웨이퍼 내부로 원하는 깊이만큼 확산시키는 방법

 

LP-CVD

반응에 사용되는 가스원 및 증착 조건에 따라 PolySi, Amorphous-Si, Nitride, Oxide 등을 증착시킬 수가 있음

 

PolySi

폴리 실리콘 공정은 게이트나 캐패시터capacitor 전극, 저항, 배선 Inter connection 물질로 사용

 

다결정 실리콘(poly-Si)

• 금속에 비해 저항은 높지만 고온 공정에 적합하고 불순물 원자의 도핑에 의해 저항 조절이 용이
• 열 산화막과의 계면 특성이 우수
• 고른 덮힘층이 매우 양호

도핑 되지 않은 다결정 실리콘을 먼저 성장시킨 다음 ,도핑 source가 공급되는 반응로에서 900℃ - 1000℃ 의 고온 열처리를 함으로써 다결정 실리콘 을 도핑시키는 방법

 

장점 - 매우 높은 농도의 dopants를 다결정 실리콘 film에 침투시킬 수 있음

단점 - 고온공정임 Surface Roughness를 증가시킴

 

질화막(nitride, S₃N₄)

 

소자의 보호막 으로 사용

산소가 Nitride막을 침투하기 어렵기 때문에 산화 공정시 Nitride막이 있는 부분의 산화를 방지할 수 있음

Capacitor에서의 유전체로 사용

Capacior에서 정전 용량을 높이기 위하여 oxide와 같이 샌드위치 구조로 사용함 (Oxide/Nitride/Oxide)

 

HTO/ MTO (High/ Middle Temperatur Oxide)

 

증착 온도 및 반응 Gas의 종류에 따라 HTO 및MTO로 분류

Capacitor 구조에서의 유전 물질, High Voltage에서 동작하는 MOS 구조에서의 Gate Oxide 물질로 사용됨

Gate Oxide 두께 수백 천 Å대역