[반도체 소재] "Si3N4, SiON grown on LPCVD & PECVD"

Silicon Nitride 역시 반도체 산업에서 많이 사용되는 박막 소재입니다. Silicon nitride의 물성과 소재 그리고 각각의 공정을 통해 성장했을 때 특징에 대해서 다루어보도록 하겠습니다.

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■ Silicon Nitride, Si3N4

■ Si3N4 특징
① Weight density : 2.9~3.1g/cm^3 vs. (SiO2 = 2.2g/cm^3)
② Index of refraction : 2.05 vs. (SiO2 = 1.46)
③ Dielectric constant : 6~7 vs. (3.6)
④ Energy bandgap : 5.1eV vs. (SiO2 = ~9.1eV)
⑤ Thermal expansion coefficient : 4E-6/K (Si 2.6E-6/K)
⑥ Nitride film은 고온에서도 각종 분자나 이온이 투과하지 못함.
⑦ Oxidation barrier, CMP stopping layer 등으로 적용
⑧ Good step coverage : 8~90% (LPCVD)

• SiH4 + 4NH3 → Si3N4 + 12H2, APCVD (300℃)
• SiCl2H2 + 4NH3 → Si3N4 + 6HCl + 6H2, LPCVD (600~900℃, 200-300mTorr)
• SiH4+NH3 → SixNyHz + H2, PECVD (200~300℃, 200-300mTorr)
• SiH4 + O2(or N2O) + NH3 → SiON + NH4OH(↑) + NOx(↑)

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[질문 1]. Si3N4 grown on LPCVD 의 특성과 용도에 대해서 설명해보세요.

• Silicon nitride는 SiO2보다 훨씬 더 dense한 막질을 갖습니다. (Density 2.9~3.1g/cm^3 > Si : 2.2g/cm^3) 그래서 공정 이후 소자의 보호막으로 불순물 확산을 억제하는 passivation layer로 주로 사용됩니다.
• 하부막으로 반응소스들이 확산되지 않도록 LOCOS나 STI 같은 소자분리막을 형성하는 isolation 공정에서 blocking mask로 사용됩니다.
• Silicon nitride는 SiO2보다 훨씬 dense하다 보니 2.05의 높은 refraction index 굴절율을 가집니다. (SiO2=1.6). 이러한 특성으로 Anti-Reflective Coating, ARC 반사억제막으로 사용됩니다.
• Silicon nitride의 유전율은 6-7 정도로, SiO2 (3.9)보다 높은 유전율을 가지기에 유전분극이 잘 일어납니다. 이는 Electric field 인가 시 charge를 보유하는 구속전하량이 높음을 의미합니다. 그래서 Capacitor에서 정전용량을 향상시키기 위한 유전체로서 사용됩니다.
• silicon nitride의 열팽창계수는 4E-6/K로 Si (2.6E-6/K) 보다 높습니다. 그로인해 Si 기판위에 Silicon nitride 박막 증착 시 tensile stress 유발을 일으킵니다. 
• LPCVD로 Silicon Nitride 박막을 증착 시 80-90%의 우수한 Step coverage 특성을 보입니다. 그래서 LOCOS나 STI 공정에서 oxidation barrier 증착 시 LPCVD 공정을 통해 Silicon nitride 박막을 형성합니다.
• Silicon nitride는 강도가 매우 높기 때문에 이로 인한 stress가 발생합니다. 그래서 박막이 두꺼우면 두꺼울수록 micro crack이 존재합니다. LOCOS 구조에서도 bird's beak 구간의 stress가 상당한 것으로 알고 있습니다. 그래서 종종 많은 수의 pinhole이 박막에 defect으로 적용합니다.
• gate dielectric으로 silicon nitride를 사용하면, pinhole에 의해 leakage current가 쉽게 발생하여 silicon nitride를 gate dielectric으로 사용하지 않습니다.

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[질문 2]. SiON grown on PECVD 의 특성과 용도에 대해서 설명해보세요.

• Silane gas에 산소나 아산화질소 그리고 암모니아 gas를 중비하여 형성합니다. SiON은 PECVD로 형성한 oxide와 nitride 막의 단점을 각각 보완하는 박막으로 최근 많이 사용됩니다. PECVD로 성장한 SiO2는 수분과 알카리금속 이온의 침투율에 매우 취약한 단점을 가지고 있습니다. PECVD로 성장한 nitride는 소재 특성상 dense하여 높은 기계적 stress를 가집니다. 
• PECVD로 성장한 SiON 박막은 수분 및 알카리 금속 이온 침투에 우수한 특성을 보이며, Nitride 대비 낮은 stress 특성을 가집니다. 이러한 특성으로 보다 확실하게 외부 불순물 확산으로부터 소자를 보호하고, 낮은 Stress로 인해 효율적으로 적층구조를 형성할 수 있는 장점이 있습니다.
• 여러 파장에 대한 굴절율 및 흡수율이 높은 특성을 가집니다. 이러한 특성을 SiON의 두께를 조절하면 특정 두께에서 특정 파장에 대한 반사를 상쇄 시킵니다. 포토공정에서 높은 해상도를 요구하기 때문에 입사하는 광원과 하부막에 반사되는 광원의 간섭효과를 억제하기 위해 reflection을 줄이기 위한 ARC, BARC Layer로 사용되고 있습니다. 
• 또한 Si와 SiO2와의 높은 ery etch selectivity의 장점을 가지고 있습니다. 

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[질문 3]. SiN grown on PECVD 의 특성과 용도에 대해서 설명해보세요.

• 3가인 N에 의한 결합으로 bonding density가 높아 barrier로 적합합니다. mechanical strength가 크며 공정변수에 따라 stress 변화가 크다는 단점이 있습니다. LPCVD로 성장한 nitride 박막보다 hydrogen 함유율이 높아 후속 열공정에 의한 out diffusion으로 Transistor의 threshold voltage에 영향을 끼치기도 합니다.
  
  
• etch barrier (etch stopping layer), side wall specer와 passivation barrier, oxidation masking layer의 용도로 사용됩니다. 저온에서 공정을 진행하기 때문에, LPCVD보다 막질이 우수하지 못해 높은 품질을 요구하지 않는 Back end 공정에서 passivation layer로 주로 사용됩니다.