반도체공학과 TFT

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1. 반도체 공정에서의 산화(Oxidation)
1.1 산화공정
실리콘 산화막은 반도체 표면을 보호하고 유전체로 사용되며, 사진 식각공정을 통해 선택확산을 할 때 마스크 역할을 한다. 산화막의 두 가지 중요한 특성은 두께와 막의 성질이다. 이중 막의 성질은 산화막의 형성 방법에 따라 결정된다.
1.1.1 산화막의 형성공정
① 200℃이하 공정
양극산화 : 액체 전해액을 이용하여 실리콘 시료가 전해액속의 양극에서 산화됨. 전해액 : 에틸렌글리콜 + KNO3
진공증착 : 증착은 산소 부분압 속에서 SiO2를 재료로 행해진다. 부착력이 강한 막을 얻기 위해서는 기판을 가열한다.
스퍼터링 : 진공 속에서 고에너지 이온가스 분자가 석영으로 된 음극 표적 재료에 충돌하여 SiO2를 떼어낸 뒤 양극에 위치한 실리콘 웨이퍼에 증착시킨다. 표적재료가 고순도 실리콘인 경우는 산소부분압 속에서 증착한다.
② 250℃～600℃공정
저온 화학 기상증착 : 사일테론(SiH4)의 산화에 의한 증착. SiH4와 산소, 질소 혼합 개스가 웨이퍼 위로 흐르면서 산화막이 증착된다. 막의 두께는 5,000～15,000Å이다.
③ 600℃～900℃
MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition) : 실리콘 유기화합물(TEOS)의 열분해를 통해 산화막을 증착시킨다. 증착 속도는 200~800Å/min 이다.
SiH4나 SiCl4의 산화: SiH4나 SiCl4의 산화공정에 산소 스스로 CO2 개스를 첨가하여 산화막을 얻는다. CO2 농도는 대략 2～10%이다. 성장속도는 200Å/min(900℃)이다. 특히 실리콘 게이트 MOS 소자를 만드는데 많이 쓰인다.
④ 900℃～1200℃사이의 공정
열산화 : 실리콘을 산소 분위기 속에서 가열하여 산화막을 얻으며 산화 공정중에서 많이 사용되는 공정이다.
1.2 Deal-Grove model
1.2.1 열산화
건식 : Si + O2 → SiO2
습식 : Si + 2H2O → SiO2 + 2H2
① (Fick의 제 1법칙)
(Ni:x=x0에서의 농도, D:확산계수, x0:산화막 두께, J1:산화막속에서의 유속)
②
(Ks:표면 반응속도상수)
③
④
⑤ 산화막 성장 속도
(N1: 단위 체적당 산화막을 형성하는데 필요한 산소의 수)
공식 ⑤를 를 이용해서 풀면
⑥
⑦ or
()
⑧
⑨ 산화 시간이 짧을 경우
(: 선형 성장률 상수)
⑩ 산화시간이 긴 경우
,
(B : 포물성장률 상수)
1.2.2 모델과 산화막 성장 실험과의 일치되는 점
1) 수증기(습식) 산화가 건식보다 빠르다.(∵ H2O의 용해도가 O2의 용해도보다 SiO2속에서 103정도 크다. → 높은 N0)
2) 연속된 산화에 있어서 형성된 어떤 종류의 산화막의 존재가 다른 환경 속에서 산화가 다시 시작될 때 성장 속도에 영향을 주지 않는다.
3) 할로겐의 첨가는 건식 산화에서의 열 산화 속도를 증가시킨다.(∵ 수증기 형성, 산화막내의 이온과 결합해서 유효 확산 계수에 영향을 준다.)
1.2.3 산화 속도에 영향을 주는 인자
온도, 산화 공정(건식, 습식), 압력, 결정방향, 불순물 도핑)
1.2.4 산화 공정 중 불순물 재분포
편석계수(m) = 실리콘 속의 불순물 평형 농도 ÷ 산화물속의 평형 농도
1.2.5 산화막의 성질
두께, 밀도, 두께, 다공성, 굴절률, 식각률, 파괴전장
1.2.6 산화막의 응용
① 확산, 이온법에 대한 마스크.
② 실리콘 표면, 특히 PN접합을 보호하여 소자의 신뢰도를 증가시킴.
③ 절연체로 사용되어 집적 회로상의 소자 밀도를 증가 시킬 수 있음.
④ IC공정에서 식각 마스크로 사용.
⑤ 도핑된 산화막으로 불순물 농도 조절
⑥ 산화막은 MOS 집접 회로에서 게이트 캐패시터의 유전체로 사용
2. CVD와 PVD에 대해 설명하시오.
2.1 CVD(화학기상증착:Chemical vapor deposition)
2.1.1 CVD의 기초
열역학에 의해 화학반응이 가능한지는 알 수 있다. 화학반응이 가능한 경우 자유에너지 변화(△G)가 작으면 핵생성 속도가 느려서 에피층을 성장시킬 수 있으나, 자유에너지 변화가 크면 핵 생성 속도가 커서 다결정 박막이 얻어진다. 주어진 압력과 온도에서 박막의 적정 성장 조건은 최저 깁스 자유에너지를 찾는데서 발견될 수 있다. 그러나 열역학에 의해서는 박막성장속도와 관련된 정보를 얻을 수 없다.
박막성장속도는 반응로 속에 유입된 소스물질의 양에 직접적으로 관계가 있다. 균일한 박막두께를 얻으려면 일정한 판상의 가스흐름에 의해 동일한 양의 소스물질이 기판에 도달해야 한다. 이러한 가스

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