계획 일정에 나와있다 싶이, 오늘은 오전에 산화 공정, 오후에 습식 식각 공정을 실습했다.
습식 식각 공정 때 이론 교육해주신 박사님이 정말 잘 가르쳐 주셔서 질문도 많이 했는데, 막상 교육과 관련 없어도 되니 질문 많이 하는 것 정말 좋다고 더 해보라고 하시니까 머릿속이 하얘졌다...그게 지금 너무 아쉽다
산화공정
Si Oxidation
먼저, Si는 diamond 구조여야 반도체의 특성을 띈다. 이를 2차원 평면도로 봤을 때 결합하지 않은 부분을 dangling bond라고 한다.
이 부분과 산소가 만나면 산화되어 natural 산화막이 형성되는 것이다.
Si를 산화시키면 SiOx 형태로 나타난다. 이중 대표적으로 Silicon Dioxide, 즉 SiO2가 있는데,
이 물질은 band gap이 8.5eV정도로 매우 크고, O의 개수에 따라 7.52~9.6eV가 된다.
또한 전기적, 물리적, 화학적으로 매우 안정한 물질로, 웨이퍼를 보호하는 역할을 한다.
따라서 MOSFET구조에서 O 부분에 이용되는 것이다.
SiO2를 Si wafer 위에 증착시키는 방법은 두가지가 있다.
바로 1. Thermal Oxidation과 2. Chemical Vapor Deposition이다.
1번은 Si wafer를 산소와 표면에서 직접 산화반응 시켜 Si 위에 SiO2를 얹는 방법이다.
반응시킬 O2나 H2O는 유체이기 때문에 많은 wafer를 Furnace 내에 차례로 세워두고 한번에 진행할 수 있다.
따라서 mass production(대량생산)이 가능하다.
하지만 Si를 소모해야 한다는 단점이 있다.
2번은 Si wafer 위의 진공에서 SiH4 gas와 O2 gas를 반응시켜 SiO2를 만들고 Si wafer 위로 증착되게끔 하는 방법이다.
hetero epitaxial이 가능하지만 대량생산 시 비용이 크게 든다는 단점이 있다.
1번의 경우, 산소가 실리콘과 반응을 계속 하려면 표면이 아닌 내부의 Si 원자 간의 결합도 깨야 SiO2를 생성할 수 있다.
따라서 에너지, 즉 열을 공급한다.
열을 가하는 공정에서 필요한 요소는 3가지이다.
1. 열원
2. Source gas
3. Si wafer가 외부와 분리될 수 있는 격리∙분리된 공간
Diffusion(Doping)
고체가 아닌 유체로 하는 작업으로, doping 공정은 diffusion과 ion implantation(with anealing)이 있다.
diffusion의 경우, 열에너지를 가해 Si 사이의 결합을 끊어내고 dopant atom을 확산시킨다.
*Oxidation의 경우 산소를 쓰지만, Doping(diffusion)이나 metallization은 산소를 넣지 않는다.
*metallization에서 metal로 소자 patterning을 한 경우, 열원을 통해서 metal-semiconductor 간의 단순 물리적 흡착이 아닌 전기적 흠착을 하게된다.
열원
1. Coil
2. Lamp-furnace 표면에 lamp를 둘러싸는 형식으로 설치하거나, furnace 중앙에 lamp를 설치하는 방식이 있다. 후자는 온도가 고르게 분포하기 힘들다.
3. (Laser)-잘 쓰지 않음
Furnace
[외부로부터 격리시킬 공간 + 열원(분자의 진동, term을 주면서 온도 올림) + gas]
열처리 공정 시 N2 gas나 Ar gas를 채워놓는다 => 진공에서는 열을 전달시켜줄 매개체가 없어 열을 전달해줄 비활성 물질이 필요하다.
수십개의 웨이퍼를 동시에 공정할 수 있다.
RTA(Rapid Thermal Anealing)
소자의 소형화에 따라 Funace는 원치않는 diffusion이 추가적으로 발생할 위험이 존재한다.
하지만 소자는 온도를 미세하게 control 시켜야 할 필요성이 있다. 이와 더불어 공정시간을 극도로 단축 시키기 위해 furnace와 동일한 구조를 매우 작게 압축하여 wafer를 1~3개씩 넣는 RTA라는 장비를 많이 쓰게 되었다.
Q. wafer의 크기는 4인치->6인치->8인치, 12인치로 증가하는데 RTA를 쓰는 건?
Ans) 웨이퍼의 크기는 기술의 발전에 따라 chamber size를 높일 수 있으면서 한번 할 때 큰 wafer도 수용할 수 있게 된 것이다.
어닐링 과정은 아직 온도 조절에 있어 RTA를 해야 미세하게 control할 수 있다.
여기까지가 이론교육이었고 본격적으로 RTA 장비를 이용한 실습에 들어갔다!
이 RTA 장비로 열처리를 하여 3가지 실험을 진행해볼 것이다.
이 장비는 coil로 열을 가하는 장비로, 4인치 웨이퍼가 1장 들어갈 수 있다.
모든 스위치는 금속으로 되어있고, 잡아당겨서 올리거나 내려야 한다.
sample을 loading할 수 있는 susceptor는 열전도율이 높은 SiC로 이루어져있고, susceptor의 온도가 매우 중요한 요소이므로 끝에 susceptor의 온도를 잴 수 있는 온도계가 연결되어 있다.
purge/vent하거나 pumping할 때 저 밸브를 켜고 끄는 순서도 중요하다.
purge/vent 시 사용되는 기체는 N2로, 열을 전달하는 매개체로 사용된다.
열처리 Recipe를 짤 때 가장 중요하게 고려해야 하는 요소는 overshoot/downshoot이 발생해서는 안된다는 것이다.
이상적인 경우는 온도를 올리는 데 매우 짧은 시간이 걸리고 정확한 온도를 유지하는 것이다.
overshoot의 경우, 550도를 올릴 때 비교적 짧은(15s) 시간이 걸리도록 설정해두면 기기가 파워를 최대치로 가해 550도보다 높은 온도로 올라가버리는 현상을 의미한다.
downshoot은 550도를 올릴 때 비교적 긴(1min) 시간이 걸리도록 설정해두면 공급파워의 크기가 작아 설정온도보다 낮은 온도로 도달해버리는 현상을 의미한다.
이러한 현상을 막기 위해 설정온도(550도)보다 낮은 온도(400~450도)에서 잠시 온도를 유지하고 설정온도까지 올린다.
설정온도(550도)로 올리는 시간을 ramping up, 유지되는 시간을 dwell time이라 한다.
유지 후 상온으로 내리는 시간은 ramping down이라고 하며, 유지되는 동안 온도가 미세하게 변화하는 현상(540~560도)을 fluctuation이라 한다.
아래가 우리의 레시피이다! 세 경우 모두 glass 위에 아주 얇게 e-beam으로 성장시켜 증착시켜 놓은 상태이다.
또한 3가지 레시피 모두 550도에서 1min동안 열처리를 할 예정이다.
1) Au 3nm N2 1SLM -> Nano Cluster 형성
Au는 아주 얇은 박막 형태일 때, 약간의 푸른빛을 띈다.
단위: 1sccm=1cm3/min=ml/min, 1000sccm=1SLM
| Temperature | Time | |
| 1 | 400도로 온도 증가 | 15s |
| 2 | 400도 유지 | 10s |
| 3 | 550도로 온도 증가 | 15s |
| 4 | 550도 유지 | 1min |
| 5 | cooling(power off) by N2 |
이 시편을 넣고 단계적으로 가열하면 어떻게 될까?
워낙 Au가 얇게 증착된 상태라 wafer에 촘촘하게 증착되지 않고 띄엄띄엄 증착된 상태이다.
여기에 열처리를 하게 되면 떨어져 있던 Au 입자들이 뭉쳐 nano cluster를 형성하게 되는데, 이는 분홍색이다.
size에 따라 색이 변하는 것이다.
실제 결과값은 이러하다.
| Temperature | Time | |
| 1 | ~350도 | 15s |
| 2 | 400도로 증가한 후 유지 | 10s |
| 3 | 530도 | 15s |
| 4 | 550도로 증가한 후 유지(downshoot) | 1min |
downshoot이 발생하여 두번째 레시피에서 3번 단계를 수정하기로 했다.
먼저 설정온도는 고정한 후 시간을 독립변수로 설정했다. 이렇게 되면 susceptor의 온도가 종속변수로서 올라가면서 shooting을 막을 수 있을 것이다. 앞서 설정한 온도값에는 overshooting이 일어나지 않았으므로 큰 문제가 없기 때문이다.
결과적으로 설정온도보다 낮은 온도에서 유지하는 과정에서는 설정했던 400도로 올라갔으며, 그 이후의 과정에 영향을 끼치지 않았다.
따라서 우리는 550도로 올리는 시간을 더 증가시키기로 했다.
참고로 downshoot보다 overshoot이 더 안좋은 영향을 끼친다.
2) Ni 3nm N2 1SLM + O2 1SLM -> Ni=>NiOx "Bandgap 형성"
(Bandgap보다 큰 E 빛은 흡수, 작은 E 빛은 투과되어 투명하게 보임)
O2는 viscosity가 너무 높아 Ni를 산화시켜 NiOx라는 반도체를 만든다.
따라서 푸른빛을 띄던 시편은 투명하게 변할 것이다.
| Temperature | Time | |
| 1 | 400도로 온도 증가 | 15s |
| 2 | 400도 유지 | 10s |
| 3 | 550도로 온도 증가 | 30s |
| 4 | 550도 유지 | 1min |
| 5 | cooling(power off) by N2 |
결과값은 이러하다.
| Temperature | Time | |
| 1 | 350도로 온도 증가 | 15s |
| 2 | 400도 유지 | 10s |
| 3 | 540도 | 15s |
| 4 | 550도 유지 | 1min |
두번쨰 레시피를 통해 downshoot을 막을 수 있었다.
원래 세번째 레시피는 Ni/Au를 투명하게 만드는 것인데, 이유는 기억이 안나지만 결과가 잘 나오지 않을거라고 연구원 분이 말씀하셔서 여러 고민 끝에 기기의 스펙을 측정하기 위해 900도까지 짧은 시간으로 올려보기로 했다.
만약 짧은 시간동안 900도까지 못올리면 그걸 고려해서 계산하면 될 것이다.
| Temperature | Time |
| 시작온도 : 88도 | |
| 설정온도 : 900도 | 20s |
| 실제온도 : 750도 |
따라서 기기의 스펙은 (750-88)/20=33.1도/s 이다.
이를 통해 shooting을 막을 수 있을 것이다.
~이어서~