[반도체공정] feat.jaeger 산화(Oxidation) Chapter 3.4 산화막 전하 분포

반도체 8대 공정 순서

1. 실리콘 웨이퍼 제조 공정
2. 산화공정(Oxidation)
3. 포토공정(Photo)
4. 식각공정(Etching)
5. 증착공정(Deposition)
     - 확산(Deposition)
     - 이온주입(Ion implantation) 
6. 금속배선공정(Metalliztion)
7. EDS 공정(Electrical Die Sorting)
8. 패키지공정(Package)

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3.4. 산화막 전하 분포

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산화막 내에서는 여러 가지 종류의 성질을 가진 전하가 분포합니다.

• Mobile ionic charge(이동 이온 전하, Q_m)
• Oxide trapped charge(산화막 포획전하, Q_ot)
• Fixed oxide charge(고정산화전하, Q_f)
• interface trapped charge(계면 포획 전하, Q_it)

이러한 전하들은 소자의 동작의 신뢰성을 낮추며 망가트릴 수 있습니다.

 

 

그림처럼 산화막 내부에 전하가 존재할 시 inversion layer(반전층)이 형성될 수 있습니다.

양전하 존재시 문턱전압 이하에서도 형성됩니다.

음전하 존재시 문턱전압 이상에서 형성됩니다.

이 각각의 원인과 영향을 살펴보겠습니다.

 

3.4.1 Mobile ionic charge(이동 이온 전하, Q_m)

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원자 반경이 작은 이온들은 SiO2 내에서 이동이 가능합니다.

Na+, K+, Li+, Cs+의 물질들이 실리콘 웨이퍼, 산화 분위기, 전극 물질등 여러 가지 이유의 통로로 오염이 된 것입니다.

 

이들은 인가 전압에 의해 움직이게 됩니다.

이는 MOSFET의 불안정한 동작을 유발하며 염소에 의한 양이온 중화로 해결합니다.

 

3.4.2 Oxide trapped charge(산화막 포획전하, Q_ot)

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UV, 방사능 radiation, x-ray, 강한 전기장에 의해 발생됩니다.

SiO4 사면체 구조에 결함을 발생시켜 hole이나 전자를 포획하여 V_t를 이동시킵니다.

이 산화막 포획전하가 다량 생성되면 MOSFET이 무력화 될 수 있습니다.

즉 전자장비가 망가집니다.

 

일상엔 전혀 문제 없지만 핵전이나 방사능에 의해 일어날 수 있습니다.

 

3.4.3 Fixed oxide charge(고정산화전하, Q_f)

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MOSFET의 V_t에 영향을 줘 동작의 신뢰성에 문제를 일으킵니다.

 

보통 양전하이며 3 nm 이내의 변이영역 SiO2에 존재합니다.

산화온도, 열처리 조건, 기판 방향에 따라 농도가 달라집니다. (111) > (100)으로 (100) 기판에서 농도가 적습니다.

 

원인은 대게 과잉 Si 혹은 산소 곂핍으로 생성된다고 알려져 있지만  아직 원인이 확실하지 않다고 합니다.

 

3.4.4 계면 포획 전하 (interface trapped charge)

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MOSFET 구동에 엄청난 영향을 줍니다.

1. 결정표면에서의 주기성 파괴에 의한 dangling bond
2. 산화나 열처리로 유발된 결함
3. 금속 불순물

이 3 요소에 의해 생성된다고 알려져 있으며 band gap 내부에 분포합니다.

이름값처럼 계면에서 포획되는 전하로써 (111) 면은 표면 결합밀도가 높아 전하가 생성될 확률이 높습니다.

 

따라서 (100)을 많이 선호되며 많은 연구가 이루어진 상태입니다.

그중 가장 성공적인 연구사례로, PMA(post metallization annealing) 공정입니다.

PMA 공정은 배선 증착  300 ºC~500 ºC에서 H2/Ar 분위에서 열처리 하는 공정입니다.

 

이 계면 포획 전하가 위 공정 전에는 10^11 cm^-2*e*V^-1 농도였으나 공정 후에는 약 1/10인 10^10 cm^-2*e*V^-1으로 감소합니다.

 

SiO2 내 에는 H2O 가 포함되어 있는데 이것이 Al 금속배선과 반응하여 활성화된 수소원자가 생성되고 이것이 dangling bond와 결합하여  계면 포획 전하들을 전기적으로 불활성화시킵니다.

 

 

 

 

위 화학식의 반응으로 활성화된 수소원자 H*가 생성됩니다.

 

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산화 공정에서도 많은 문제가 있습니다.

 

연구할 게 많다는 것은 재밌기도 하지만 고생길이 많다는 의미이기도 하죠.

 

 

 

 

introduction to microelectronic fabrication (Vol 5)

For courses in Theory and Fabrication of Integrated Circuits.The author's goal in writing this text was to present a concise survey of the most up-to-date techniques in the field. It is devoted exclusively to processing, and is highlighted by careful explanations, clear, simple language, and numerous fully-solved example problems. This work assumes a minimal knowledge of integrated circuits and of terminal behavior of electronic components such as resistors, diodes, and MOS and bipolar transistors.

저자

jaeger

출판

피어슨 에듀케이션

출판일

2013.08.30