화학기상증착공정 1 I. 화학기상증착 II. 실리콘에피성장 III. 저압화학기상증착 IV. 플라즈마화학기상증착
I. 화학기상증착 (CVD) 2 1. 개요 gas 인입 gas 분해 gas 반응 substrate 흡착 gas 배기 1) gas분해 (1) thermal deposition (2) plasma deposition (3) photo (laser, UV) deposition 2) 종류 (1) APCVD (2) LTCVD (3) LPCVD (4) PECVD (5) PCVD
3 3) 장점 (1) 두께, 결함, 비저항을제어할수있음. (2) poly-silicon, Si 3 N 4, SiO 2 유전체및일부금속박막을값싸게얻을수있음. (3) Si 3 N 4, SiO 2 및 epilayer도 LTCVD로가능 4) 박막의구조를결정하는요소 (1) 온도 ( 기판, 반응실 ) (2) 성장속도 (3) 압력 이러한요소들이원자의표면이동속도에영향을줌.
4 < 반도체공정에사용되는박막의화학증착 > APCVD Thin Film Reaction Gas (carrier) Temperature ( ) Growth Rate (nm/min) Throughput (wafer/hr) Epitaxial Si SiCl 4 (H 2 )/H 2 SiHCl 3 (H 2 )/H 2 SiH 2 Cl 2 (H 2 )/H 2 SiH 4 (H 2 )/H 2 1125~1120 1100~1150 1050~1100 1000~1075 500~1500 500~1500 500~1000 100~300 - Poly Si SiH 4 (H 2 ) 850~1000 100 40 Si 3 N 4 SiH 4 /NH 3 (H 2 ) 900~1000 20 40 SiO 2 SiH 4 /O 2 (H 2 ) 200~500 100 160
5 LPCVD Thin Film Reaction Gas (carrier) Temperature ( ) Growth Rate (nm/min) Throughput (wafer/hr) Epitaxial Si SiH 2 Cl 2 (H 2 )/H 2 1000~1075 100 - Poly Si 100% SiH 4 (0.2 torr) 620 100 100 23% SiH 4 (H 2 ) (0.1 torr) Si 3 N 4 SiH 2 Cl 2 /NH 3 (0.3 torr) 640 800 19 4 150 100 SiO 2 SiH 2 Cl 2 /N 2 O 900 8 - SiO 2 SiH 4 /O 2 SiH 4 /PH 3 /O 2 (0.7 torr) 450 450 10 12 100 50
6 PECVD Thin Film Reaction Gas (carrier) Temperature ( ) Growth rate (nm/min) Throughput (wafer/hr) Si 3 N 4 SiH 4 /NH 3 (N 2 ) (0.3 torr) 300 10 - SiO 2 SiH 2 Cl 2 /N 2 O 250 84 - a-si SiH 4 /H 3 (0.1 torr) 300 6 -
7 2. CVD 장비 1) 개요 <CVD 반응장치의변수 > 변수 온도범위 ( ) 압력범위 (torr) 벽의온도 에너지원 박막 가스 변화량또는종류 100~1200 0.1~760 열벽, 냉벽, 전열, RF 전력, 마이크로웨이브전력, 적외선, 레이저 표 1 참조, W-Si, W-Mo 표 1 참조, WF 3, MoF 3 (1) APCVD LPCVD growth rate 보다 uniformity 가중요 (2) heating methods hot wall : electrical heating, IR Lamp cold wall : RF heating
8 2) LTCVD 인입된가스가분해되는양도적고반응에참여하는율도적음. (1) 장비설계원칙 gas 농도변위가크게 수직 gas flow 혼합된 gas 사용 (2) CVD 도중오염방지 (3) 막의성장속도에미치는변수 기판온도 산소 / 수소화합물비율 SiH 4 /PH 3 비 수소화물유량
9 희석가스의종류와유량 반응장치의모양 반응장치의벽온도 가스첨가물 CVD에서의불순물양 기판표면조건 반응장치의조건 반응장치조작원리의차이
10 3) 광화학기상증착 (photo CVD) (1) 저온공정 (Si 3 N 4 : photo nitride) (2) defect가적은공정 (a-si) (3) PCVD장치 <PCVD 장치의개략도 >
11 (4) 반응식 1 반응식 Hg Hg 5 에너지효율이크다. hν Hg 4 + 4NH3 Si3N4 12H2 3 SiH + 2 2200A 이하의 photon을흡수할수있는 gas 3 Hg spectrum에서 2537A photon이 chamber내에서 10 torr 의증기압상태로있는수은을여기시킨다. 4 여기된수은은충돌에의해 free radical을만든다. hν + Hg(S) Hg(P) hν + Hg Hg * * + SiH + NH 4 3 * SiH NH 2 3 + H + Hg + H + Hg
12 4) CVD 장비비교요약 < 장비에따른 CVD 공정비교 > 공정및박막이점제한 (1) LTCVD-NP: PSG, SiO 2,BSG 저온공정 (<500 ) 알칼리이온게터링 입자, 핀홀 (2) HTCVD-NP: Si 3 N 4, SiO 2, PSG, BSG, Al 2 O 3 치밀한양질의막고가, 두께의불균형, 고온공정 (>700 ), 벽에증착 (3) LPCVD-LT: SiO 2, PSG 저온공정 (<500 ) 경제적 웨이퍼간격에예민 (4) LPCVD-HT: Si 3 N 4, PSG 경제적, 양질, 깨끗함 저성장율, 고온공정 (>700 ) (5) PECVD-LT, LP: Si x N y H z 저온공정 (<500 ) 핀홀이적다. 열적으로불안정, 성질이불안정 NP: normal pressure, LT: low temperature LP: low pressure, HT: high temperature
II. 실리콘에피성장 (Silicon Epitaxy) 13 1. 개요 epitaxial arranged upon 1) 목적 (1) 농도기울기가급변하는층 (2) 불순물농도가균일한층 (3) 고농도위에저농도층 (4) defect가적은층 2) 두께 : 0.3~ 20 μm 3) 도핑농도 : 0.005~10 Ωcm
14 4) 응용 (1) 전력소자 (2) linear IC (3) bipolar 소자 (4) microwave 소자 (5) image sensor (6) CMOS IC 5) 에피의질 : 두께, 저항, autodoping, out-diffusion, 결함, buried layer pattern 6) 질을좌우하는변수 : 반응로구조, 매몰층준비, 압력, 성장률, 가열방법, 온도, 기판방향, 가스순도, 기판의결함, 가스의종류 7) 종류 : homo epitaxy 와 hetero epitaxy
15 2. 장치 1) 종류 (1) 수평반응로 1960 년대부터사용하여신뢰도가높다. (2) 수직반응로 적은수소량 uniformity, repeatability autodoping 문제가적다. (3) cylinder 또는 barrel type throughput 이높고 (1), (2) 의장점을가진다.
16 2) LPCVD (1) 가스의대류에의한흐름을감소시키고, 확산에의한흐름을증가. (2) 대류의흐름이적기때문에, 온도균일도를좋게함. (3) 균일한성장보장. 3) 가열방법 (1) 유도가열 SiC 또는흑연 susceptor의간접가열 cold wall (2) 복사가열온도를일정하게하여결정결함을줄여줌.
17 < 유도가열수평반응로 > < 유도가열수직반응로 > < 복사가열원통형반응로 >
18 3. 에피성장의역학 1) 기본적공정순서 (1) 가스반응실인입 (2) 반응물질표면으로이동 (3) 기판표면에서흡착 (4) 표면에서화학작용 (5) 표면에서생긴가스의탈착 (6) 탈착된가스의운반제거
19 2) 반응원리 SiH 2 Cl 2 를이용한 epitaxy <SiH 2 Cl 2 반응원리 >
20 3) 질량전달과화학반응 (1) Grove model: 질량전달과표면화학작용 <Grove 에의한에피박막형성의 CVD 모델 >
(2) 식의요약 ) exp( control transfer mass control reaction surface )] ( [ )] ( [ ) (1 ) ( 0 1 1 1 1 2 1 /kt E K K Y C C /N h C V /N K C V N C h K / h K N F V C h K / h K F /h K / C C C K F C C h F a S T G G G S G G G S G S G G S G S G S G S S S S G G = = + = = + = + = = = 21
22 5) 질량전달에대한모델 (Grove 에의하여 ) (1) 정체층모델 약점 : δ 는경계층모델에서계산된다. < 질량전달을위한정체층모델 >
23 (2) 경계층모델 < 경계층이론 : 무한으로균일한흐름장내에있는 평판위의경계층두께 >
e G G G e L G G R L D D h R L UL L dx x L x U x x D h 2 3 3 2 3 2 ) ( 1 ) ( ) ( 0 = = = = = = δ ρ µ δ δ ρ µ δ δ (3) 정체층두께 δ 의계산여기서 ρ: 가스밀도, µ: 점성계수 U: 가스유속, D G : 가스확산계수 L: susceptor 길이, µ ρul R e = 24
25 (4) 경계층모델의특징 1 경계층 : 속도가 0 인표면과속도가기체의자유흐름 사이의전이지역으로정의. 2 경계층의평균치는 δ 가될것이며, δ = 에서, R e 를 주며 R e 는 h G 를주어막두께를계산할수있게된다 3 U 가증가하면경계층의두께가감소하여일정하게되 어 L 에따른두께균일성을보장한다. C G 4 가일정하여야두께균일성이보장되므로 L의끝부 δ 분에서는 C G 의결핍을보충하여야한다. C 5 보충하는방법은 susceptor를기울여주면 G 를일정하 δ 게할수있고대개 10~20 정도이다. 2 3 L R e
26 4. 실리콘에피용가스 < 수소분위기에서실리콘에피성장 > 가스 화학반응 반응온도 ( ) 성장율 ( µm / min ) 허용산소량 SiCl 4 SiCl 4 +2H 2 =Si+4HCl, Reduction 1,150~1,2500 0.4~1.5 5~10 SiHCl 3 SiHCl 3 +H 2 =Si+3HCl, Reduction 1,100~1,200 0.4~2.0 5~10 SiH 2 Cl 2 SiH 2 Cl 2 +H 2 =Si+2HCl, Pyrolysis 1,050~1,150 0.4~3.0 < 5 SiH 4 SiH 4 =Si+2H 2, Pyrolysis 950~1.050 0.2~0.3 < 2
27 1) SiCl 4 (1) 가역반응에의하여 HCl dopant 를이동시켜 auto- doping 이되게한다. (2) 진공이새면결함을초래하는가루를만든다. (3) 고온과고농도에서기상반응이즉시일어난다. (4) 산화물과초기표면결정에의해결함이쉽게일어난다. (5) 다른가스보다반응실의벽에박막이더욱빠르게생성된다. <SiCl 4 농도에따른성장률 >
28 2) SiH 4 (1) 자동도핑, 낮은성장온도, 패턴이동의개선가능 (2) 역반응이나 HCl이생성되지않는다. (3) 기체이므로유량조절이용이하다. 3) SiH 2 Cl 2 (1) SiH 4 ~SiCl 4 의중간성질 (2) 기화점이 23 근처이기때문에기체로사용하려면주의를요한다. (3) SiH 4 보다값이싸다.
29 7. 에피성장시도핑 1) 사용가스 : B 2 H 6, PH 3, AsH 3 (1) SiH 4 : 0.1 % of H 2 (2) C = 5*10 15 /cm 3 (1 Ωcm N-type) (3) dopant 양의조절 2) 성장속도에따른불순물농도 F F 1 = DD ( CGD COD) 2 = R G C SD /δ < 균일하게도핑된에피층에서의비소농도와성장속도의함수관계 >
30 3) 가스분리상수 : ν ν = C C OD SD ( 실리콘표면에서의가스상태의불순물농도 ) C ( 실리콘에서불순물농도 ) = v + SD C R GD G δ/d D (1) 낮은성장률과높은 ν : 불순물농도는성장률과무관 (2) 높은성장률과낮은 ν : 도핑농도는성장률에대략반비례
III. 저압화학기상증착 (LPCVD) 31 1. 반응로와증착원리 1) 수평대기압반응로의단점 1 throughput 이적다. 2 gas flow rate 가크다 (H 2 : 250 l/min). 3 RF 전력공급기가고가이고유지비가크다. 2) 저압반응로의장점 1 throughput 이크다. 2 gas flow rate 이작다. 3 system 의가격이싸다. 3) LPCVD 시스템의특성 1 성장률은온도에민감 ( 그림 3-2) 2 압력의수 torr 의감소는 1000 배의확산증가 균일성향상. 3 반응실의벽에도증착된다. 4 wafer to wafer 균일성을얻기어렵다.
32 <LPCVD 시스템개략도 >
33 < 여러온도에서축상의거리에따른다결정실리콘의성장률 >
34 2. 화학기상증착변수의영향 R : 성장률, A : 상수, E a : 활성화에너지, P a, P b, P c P n : 반응기체의분압 R = Aexp( E a / kt) P P a b P n 관계되는변수 1) 온도 2) 압력 3) 기체구성및성질 4) 반응의성질 5) 반응로의특성
35 < 실리콘질화막과산화막의저압기상증착 > 박막 Si 3 N 4 SiO 2 혼합가스종류 SiH 2 Cl 2, NH 3 SiH 2 Cl 2, N 2 O 온도 ( ) 750 900 웨이퍼간균일도 ± 0.7 ~ ± 1.5 % ± 1.0 ~ ± 1.6 % 웨이퍼내균일도 ± 1.0 ~ ± 1.6 % < 2 % 굴절률 2.0 1.45 48% HF 식각률 (Å/sec) 2.5~3.5 350~500
36 1) 분압과성장률 < 여러온도에서 LPCVD 에의한 Si 3 N 4 성장률과 SiH 2 Cl 2 의분압의함수관계 >
37 2) wafer 간격과성장률 < 웨이퍼중심에서본박막두께와웨이퍼간격 >
38 3) 분압, 간격, 반응로에따른 SiO 2 성장률 <LPCVD 에의해도핑된 SiO 2 성장률과 SiH 4 분압과의관계 >
39 3. 다결정실리콘성장 1) 균일성과성장률 1 3단계온도조절 입구 : 610 중심부 : 625 배출구 : 638 2 그림에서의유량과분압 (a) 100 cc/min, 344 µmhg (b) 56 cc/min, 226 µmhg (c) 29 cc/min, 138 µmhg <3 가지 SiH 4 유량과분압에대한반응실길이방향으로의성장률 >
40 2) 막성질 1 600 보다낮으면비정질, 600 보다높으면다결정 2 성장조건에따른면저항의차이 <LPCVD 와 APCVD 로만든다결정실리콘및단결정실리콘에 5 10 15 /cm 2, 50keV 로인을이온주입하고 80 분간열처리한후의면저항 >
41 3 면저항에따른산화율의변화 <900 에서 30 분간 POCl 3 로선확산하고 850 에서수증기산화한후의산화막두께와면저항과의관계. 초기면저항은 (100) 실리콘단결정을기준으로한것이다.>
42 4. 유전체박막형성 1) 질화실리콘 1 막두께균일도 SiH 2 Cl 2 의 NH 3 에대한몰비가낮을때균일 inlet에서 outlet 쪽으로가면서온도가높아질때균일 2 막성질 : CVD Si 3 N 4 와 SiO 2 CVD SiO 2 Si 3 N 4 thermal SiO 2 저온고온 굴절률 1.98 1.46 1.46 1.46 비유전율 7.0 4.25 3.7 3.8 밀도 (g/cm 3 ) 2.8 2.1 2.25 2.25
43 2) 실리콘산화막 gas : SiH 4, SiH 2 Cl 2, CO 2, N 2 O 1 균일도 <N 2 O/SiH 2 Cl 2 몰비가 R=4.0일때얻어진 LPCVD 산화막의두께균일도에미치는압력의영향 >
44 <R=2.0 일때압력의함수로얻어진 LPCVD 산화막의성장률 > 2 막의성질 낮은온도에서형성된막 : 밀도가낮고전기적, 광학적성질이나쁨 높은온도에서형성된막 : 열산화막과비슷함
IV. 플라즈마화학기상증착 (PECVD) 45 1. 개요 1) 종류 1 hot plasma : arc discharge 2 cold plasma : low pressure glow discharge PECVD에이용 2) 특징 1 낮은온도에서증착가능 (300 이하 ) 2 증착속도가크다. 3 정확한 stoichiometry를얻기힘들다. 4 uniformity 조절이힘들다.
46 2. PECVD 의원리 1 glow 방전을통한반응물질의생성 2 막표면에서의흡착과확산 3 표면결합의활성화와생성기체의배출 4 반응물질의재결합 1) 글로우방전플라즈마 1 RF 전력으로 plasma 발생 V V = p f kte 2e log( MT e / mt e : 전자의전하, m : 전자질량, T e : 전자온도 M : 이온질량, T i : 이온온도, V f : floating potential ** ion sheath (dark space) 형성 : 양 ion 은가속되고전자와음이온은감속되는영역 i )
47 ion sheath <RF 글로우방전에서용량적으로작은표적전극과직접연결된큰전극사이의전위분포 >
2) 전자충돌에의한해리 1 높은에너지의전자에의한자유기 (radical) 생성 RX+ e R + X + e CO 2 + 127 kcal / mole CO + O 2 SiH 4 + N 2 O에서 N 2 O 양보다 SiH 4 + CO 2 에서 CO 2 양이많아야 SiO 2 가된다. 그렇지않으면 Si-rich SiO 2 가될것이다. N 2 O + 115 kcal / mole N + NO 3 SiH 4 + N 2 O에서만들어지는 SiO 2 에는질소가소량포함된다. 3) 표면의영향 N O + 40 kcal / mole 2 + O 온도는함유되는원자의양, 막의밀도, 광학적성질에영향 N 2 48
49 3. 반응장치 1) 전력 : 50 khz 13.56 MHz 전원과 matching 회로 2) 진공 : 0.1 5 torr, 진공펌프에는가스세정기와소각장치필요 < 방사상흐름형 PECVD 장치 > < 종적흐름형 PECVD 장치 >
50 4. 무기질박막증착 1) 질화막 1 gas : SiH 4 + NH 3, SiH 4 + N 2 2 해리에너지 : 277(N-N), 110(H-NH2), 90(H-NH) 79(H-N) kcal/mole 3 막의성질 : 밀도, 저항, 화학성분, 식각속도, 굴절률, grain 크기, 막의 stress와 strain 등 전력, gas 혼합비, gas flow rate, 기판온도, 압력, 전극간의거리등에의존
51 <SiH 4 와 N 2 로부터얻어진실리콘질화막의성질 : (a) 막중의 Si/N 비에대한 U.V. 흡수단의의존도, (b) 인입가스비에대한굴절률의존도 >
52 <SiH 4 /NH 3 /N 2 가스혼합물로 부터얻어진실리콘질화막의 성장온도의존도 > <RF 전력이실리콘질화막의성질들에미치는영향 >
53 <2 10 6 V/cm 에서측정된실리콘질화막의비저항변화 >
54 2) 산화막 1 gas : SiH 4 와 N 2 O, O 2 또는 CO 2 40(O-N2), 119(O-O), 127(O-CO) kcal/mole 2 응용 : 1) 금속 - 금속의절연막 2) passivation layer 3) low capacitance를얻기위한유전체
55 < 산화막의산소와실리콘의비에따른밀도와굴절률 >