확산 공정은 2단계로 나누어진다.
Pre-deposition: 불순물을 Si 표면에 증착하듯 과량을 주입하는 단계(하드마스크 필요)
Drive-in: 주입된 불순물이 내부로 확산하는 단계
Two-Step을 통해 도핑 양과 profile을 조절한다.
하지만 농도와 확산 깊이는 독립적으로 조절할 수 없다.
Pre-deposition 시 불순물의 산화물이 생성되는데
이후 Si가 산소를 빼앗아 산화막을 만들면서
결합이 끊어진 불순물이 내부로 확산된다.
Batch로 생산성이 우수하지만
등방성 확산으로 원치 않는 방향으로도 확산하며
원하는 깊이에 원하는 농도 도핑이 어렵다는 단점을 가진다.
| Diffusion |
Oxidation |
Dry |
600 ~ 900ºC |
| Wet |
> 600ºC |
| Radical |
> 600ºC |
| Anneal |
100 ~ 1000ºC |
| LPCVD |
Nitride |
500 ~ 800ºC |
| Oxide |
500 ~ 800ºC |
| Poly Silicon |
400 ~ 600ºC |
| High Temp Oxide |
600 ~ 900ºC |
| ALD |
Nitride |
500 ~ 700ºC |
| Low Temp Oxide |
< 100ºC |
이러한 확산은 산화 공정에서도 사용된다.
산화제가 산화막을 통과하면 학산을 통해 계면까지 이동한 뒤
계면에서의 반응으로 산화막이 성장한다.
따라서 두께가 증가할수록 성장 속도가 감소한다.
물을 사용하는 습식 산화의 경우
용해도가 높아 산화 속도가 빠르지만
부산물인 수소로 인해 품질이 낮아 두꺼운 박막이 필요할 때 사용핟나.
플라즈마를 이용한 라디칼 산화법은 품질이 우수하지만 공정 속도가 느리다.
따라서 고품질이 필요한 NAND Flash의 터널링 산화막에 사용된다.
산화는 실리콘 결정 방향에 따라 속도가 다르다.
면밀도 차이로 산화속도가 달라 두께에 차이가 나게 된다.
이렇게 만들어진 SiO2는 아래 4가지 용도로 사용된다.
1) HF에 녹지만, Si는 식각되지 않아 습식 식각으로 패턴 형성
2) B, P, As는 Si에서, Ga는 SiO2에서 확산이 빨라 Mask의 역할
3) 비저항 1020$\Omega cm$이상, 밴드갭 ~ 9eV라서 Gate Oxide 등의 절연막
4) 열산화는 1um SiO2 성장당 0.46um Si 소모되며,
표면에 dangling bond가 남아 charge trap으로 작용 -> 습식/건식 산화로 대체
Si 열산화: Deal & Grove 모델 (Ox THK 200$\dot{A}$이상일 때)
1. 산화막에 용해 2. 확산 3. 반응
장치: Furnace -> RTA -> Laser Anneal
(Thermal Budget 감소)
LOCOS: 소자 간 분리 목적
STI: LOCOS와 달리 표면이 평탄함
| N2 |
질소 |
질식성 |
| H2 |
수소 |
극인화성, 가열 시 폭발 |
| O2 |
산소 |
지연성, 고농도 산소 흡입 시 폐 손상 |
| NH3 |
암모니아 |
독성가스, 할로겐과 반응해 폭발성 가스 발생 |
| SiH4 |
실란 |
물과 반응해 독성, 가연성, 부식성 가스 발생, 자연발화성 |
| PH3 |
포스핀 |
맹독성 |
| N2O |
산화질소 |
강산화성, 조연성(연기 발생) |