[반도체 소재] "SiO2 grown on LPCVD & PECVD"

이번 장에서는 각각의 공정을 통해 얻은 박막이나 소재의 특성에 대해서 알아보겠습니다. 박막의 용도나 공정 Type에 따라 같은 박막이더라도 공정조건이 다르고 특성 또한 다릅니다.

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■ Silicon Dioxide, SiO2

■ SiO2 특징
① Crystal structure : Armorphous 구조
② Weight density : 2.20g/cm^3
③ Molecular density : 2.3×10^22 molecules/cm^3 vs. (Si : 5×10^22atoms/cm^3)
④ Excellent Electrical Insulator : Resistivity > 1×10^20ohm/cm
⑤ Energy bandgap : ~9.1eV
⑥ High breakdown electric field : >10MV/cm
⑦ Conformal oxide growth on exposed Si surface
⑧ SiO2 is a good diffusion mask for common dopants.
⑨ Very good etching selectivity between Si and SiO2
⑩ Very compatible with Si

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• Dry oxidation : Si(s) + O2(g) → SiO2(s)
• Wet oxidation : Si(s) + H2O(g) → SiO2(s) + 2H2(g)↑ 
• LPCVD-SiO2
  1. Silane (SiH4) + 2N2O → SiO2 + 2N2 + 2H2, (750-900℃, 100mTorr~1Torr)
  2. DCS(SiH2Cl2) + 2N2O → SiO2 + 2N2 + 2HCl (750-900℃, 100mTorr~1Torr)
  3. TEOS((C2H5O)4Si) → SiO2 + byproduct, (600-800℃, 100mTorr~1Torr)
  *TEOS : Tetraethylorthosilicate

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[질문 1]. SiO2 설명해보세요.

SiO2는 비정질 결정구조를 가지는 우수한 절연물질입니다. 20^20ohm/cm의 비저항으로 저항특성이 매우 우수합니다. 이는 ~9.1eV의 높은 energy bandgap을 가지기 때문입니다. 또한 breakdown voltage가 10MV/cm 이상으로 높은 전계 내에서도 신뢰성을 보장할 수 있습니다. 그 외에도 SiO2 자체 물성 특성으로 Diffusion mask, etching mask, passivation layer로 응용되고 있습니다. 무엇보다도 Silicon과 interface의 quality가 우수합니다.

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[꼬리 1-1]. Thermal Oxidation과 Deposition으로 성장한 SiO2 막의 차이에 대해서 설명하세요. 

Thermal oxidation, 열산화 공정을 통해 성장한 SiO2는 1,100℃의 고온에서 성장하기 때문에 SiO2의 막질이 매우 우수합니다. 또한 노출된 Si 표면에서 SiO2가 Conformal하게 성장된다는 장점이 있습니다. 그리고 deposition과 달리 열산화 공정은 주입된 O2 가스와 Si 기판이 반응하여 Si 원자를 소모하면서 SiO2가 성장됩니다. (SiO2 두께의 46%는 Si 소모). 반면에 Deposition은 '기판의 영향을 끼치지 않고' SiO2 막을 형성할 수 있습니다. 하지만 증착메커니즘 상 직진성을 가지고 있기 때문에 증착되지 않는 면이 생기는 이슈가 발생합니다.

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[질문 2]. SiO2 grown on LPCVD에 대해서 설명해보세요.

LPCVD는 주로 Poly-Si, SiO2, Si3N4 증착에 주로 사용됩니다. LPCVD로 SiO2를 증착하기 위한 반응 Source는 Silane(SiH4), DCS(SiH2Cl2), TEOS((C2H5O)4Si) 3가지가 가장 많이 사용됩니다. Oxygen source는 아산화질소(N2O)가 주로 사용됩니다. 3가지 Source 모두 700-900℃ 사이의 고온과, 100mm-1Torr에 저압에서 공정이 진행됩니다. LPCVD로 성장한 Poly-Si가 95%의 step coverage를 갖는 반면 LPCVD로 성장한 SiO2는 7-80%의 낮은 Step coverage를 가지며, 반응소스마다 wet etch rate이 다른 특징이 있습니다. 

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[꼬리 2-1]. Wet Etch rate이 다르다는 것은 무엇을 의미하는 것인지 설명하세요. 

보통 Silane과 DCS 기반의 SiO2 박막은 Thermal oxidation, 열산화 공정으로 성장한 SiO2에 비해 2-3배 높은 etch rate을 보입니다. TEOS는 10배 높은 etch rate을 가집니다. etch rate이 높다는 것은 그만큼 SiO2 박막이 dense하지 못하다는 것을 의미합니다.

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[질문 3]. SiO2 grown on PECVD에 대해서 설명해보세요.

PECVD는 600-900℃에서 성장하는 LPCVD와 달리 반응소스의 활성화 에너지를 플라즈마를 통해 전달하기 때문에 200-500℃의 저온공정이 가능합니다. 저온공정이 가능하기 때문에 IMD, ILD, PSG 등 Passivation layer와 같은 Back End of Line (BEOL)에서 박막 형성에 주로 사용됩니다. 반응 Source는 Silane gas와 TEOS gas를 사용하며, 산소나 아산화질소를 oxidant로 사용합니다. PECVD로 성장한 SiO2는 주로 350-400℃의 공정온도를 가지며 LPCVD 대비 상당히 저온에서 공정이 가능하고, 하부막의 metal line에 영향을 미치지 않기 위해 400℃ 이상의 공정온도를 지양하고 있는 추세입니다.

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[꼬리 3-1]. Silane (SiH4) gas와 TEOS (C2H5O)4Si gas, 반응 소스에 따른 SiO2 박막에 대해서 설명하세요. 

Silane gas based SiO2는 carbon-free하다는 장점을 가지고 있습니다. 또한 N doping이 가능하다는 장점이 있습니다. 하지만 TEOS based SiO2 대비 박막이 dense하여 공정변수에 따른 막질간 stress의 변화가 크다는 단점이 있습니다. 그래서 보통 Capping oxide, 희생막, IMD 증착 시 사용됩니다. TEOS gas based SiO2는 step coverage가 silane gas 대비 상대적으로 우수하며, 기계적 물성 또한 우수합니다. 역시 capping oxide, ILD, IMD 층 형성시 사용됩니다. 

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[질문 3]. HTO / MTO에 대해서 설명해보세요.

HTO, MTO는 High/Middle temperature oxide로서 증착온도와 반응가스의 종류에 따라 HTO, MTO로 구분합니다. 보통 Capacitor 구조의 유전물질, 고전압 동작 MOS 구조의 Gate oxide를 증착할 시 고온공정이 요구됩니다. 

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