Silicon Oxidation

[ BackGroud ] 
Si is reactive to Oxygen - Si는 산소에 매우 잘 반응
SiO2는 Si에 증착할 수 있는 계면전하가 가장 적은 훌륭한 Dielectirc Film 
 - Si와 매우 우수한 안정된 계면 형성 (Interface charge↓)

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[ Utilization of SiO2 Dielectirc Film ] 
1) Mask layer for diffusion : 불순물은 확산계수가 Si보다 작음 (확산x in SiO2)
2) Screening Oxide : channeling(Implantation), contamination 방지
3) Isolation Oxide → Isolate Leakage Current
     - BFO(step difference), LOCOS(bird-beak), STI(planarization)
4) Gate Oxide : Gate 전극과 Si channel 사이를 분리
5) Sacrificial Oxide : Deposition and Removal before gate oxide - Contamination 방지
6) Surface Passivation : Si 표면 노출 억제 (최종적 보호막으로 수분 침투, 오염 방지) 
    - Si 표면을 SiO2로 Depo할 경우, 표면의 Si dangling bond 감소(Interface Charge 감소, 누설전류 감소)
7) Wiring insulation film in multilayer (only Deposition Oxide) : 금속 배선 간의 절연
 

             1) Mask layer for Diffusion                                                                        2) Screening Oxide

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                      3) Concept of Isolation                                                           3-1) BFO(Blanket Field Oxide)

                                                                                                                          : Deposition + Tr. etch

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 3-2) LOCOS(Local Oxidation of Silicon)             3-3) STI pad Oxide(pad Oxide, barrier Oxide, CVD Oxide)

        : Etch + Oxidation

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                               4) Gate Oxide                                                       5) Sacrificial Oxide

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                  6) Semi surface Passivation                                                                7) Multilayer

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[ SiO2 Film Deposition ]
1)  Thermal Oxidation SiO2 (High Temperature)
   1-1) Wet Oxidation : 두꺼운 막 성장 시 (Dry Oxidation의 약 10배 빨리 성장)
   1-2) Dry Oxidation : 얇은 막 성장 시, Wet Oxidation에 비해 품질 우수 → Gate Oxide
     :  열산화 SiO2는 매우 깨끗하고, Si와의 계면 결함이 없는 SiO2 형성(품질 우수)  → gate oxide 활용
        O2 or H2O 사용, Si source :  Si substrate (Si 불필요)
     : 열산화막은 Amophous, but 고온공정 시 결정화 가속화되며 Polycrystalline으로 성장
        - Cleaning + 1,2시간 내로 Thermal Oxidation 진행
     : 전형적인 고품질 산화막성장 cycle : Dry - Wet - Dry
 
   * Thermal Oxidation Process
     1] Oxidant Species가 SiO2 내로 Diffusion
     2] Si-SiO2 surface에서 Oxidation reaction

 - 산화시에 산화에 사용된 Si atom 모두 SiO2 내에 포함
 - 열산화 시 1um 성장마다 0.46um 소비 (SiO2의 분자밀도가 Si의 원자밀도보다 작음)
 
* Deal Grove Model : 1) Liner region = Reaction limited
                                    2) Parabolic region = Diffusion limited

 
- 1) 처음 산화 시 Oxidant는 아주 얇은 초기 oxide를 별 충돌없이 Si에 도달하여 성장, Reaction에 의해 성장    
- 2) Oxide의 두께가 두꺼워지면 Oixde를 확산하는 동안 많은 충돌 발생, Diffusion에 의해 성장
 
- 1) 선형비례상수 : B/A = exp(-Ea / kT), 온도 증가 시 지수적으로 비례하여 증가
                             : B/A는 Wafer의 결정 방향 의존 - 결정방향에 따라 단위면적당 실리콘 atom 수 다름                                                           
                             - B/A(111) > B/A(110) > B/A(100)                                
                             - 보통의 IC는 (100) Si에서 제작 (dangling bond 수가 가장 적음)                                   
                               즉, interface trap charge가 적으므로 품질 우수하기 때문
 
  - 2) 포물선 비례상수 : B = exp(-Ea / kT), 온도 증가 시 지수적으로 비례하여 증가
                                    : B는 Wafer의 방향과 무관, 산화종의 SiO2 확산만 관련됨
 

 Comparison of Growth Rates : Wet vs Dry                            |    Wafer Miller index (111) vs (100) 

 

2) Deposition SiO2
    : Si surface를 변화시키지 않고 SiO2를 증착하는 공정 by CVD, PVD, ALD
      Si source : Si, O2 
     금속위에서 SiO2를 증착할 때 활용하는 공정 (열산화는 불가 - 금속의 팽창)

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[ Impurity Redistribution ]
 : Si surface에 있는 Impurities는 열산화동안 재분포 진행
 Why? 1) 석출계수(k)의 차이
             * k = Si에서의 불순물의 평형상태의 농도 / SiO2에서의 불순물의 평형상태의 농도 (Si 고용도)
           2) 표면의 불순물의 SiO2 방향으로의 급속한 확산, 바깥으로 gas 형태로 날아감
           3) 산화막 성장 시 Si와 SiO2간의 경계가 Si 방향으로 전진 (상대적 비율 영향)
   → Si의 불순물 Depletion 발생

 
 1] Boron(k=0.3) : Si 표면은 Boron으로 Depletion
 2] Phors(k=10) : 불순물은 SiO2에서 축출되어 Si 계면에 Pile UP
 
- SiO2 내의 포함된 재분포된 불순물들은 전기적으로 non-active
  but, 확산공전전의 Doping Distribution profile을 변화시키므로 소자 및 공정 성능에 영향

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[ Oxide Charges ]
1) Interface Trap Charge : by Dangling bond of Si surface
    : Si와 SiO2의 결정구조의 차이로 Si-SiO2 Interface에는 dangling bond 존재
    : dangling bond는 interface trap charge 형성 (누설전류 원인)
    : low temp, H atmosphere 환경에서 Annealing하여 interface trap density ↓
 
2) Fixed Oxide Charge : by Si which non-oxidized in SiO2 (Si 원자의 불완전한 산화)
    : dangling bond가 적은 (100) wafer 사용
 
3) Oxide trapped charge : by defect in SiO2 bulk
  : Annealing
4) Mobile ion charge : by mobile ion in SiO2 bulk

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[ Oxide Film measuring Equipment ]
1) Ellipsometer : 광학적 방법(비파괴), 박막의 두께 및 굴절율 측정
2) Alphastep(Profilometer) : 탐침으로 박막 두꼐 측정, 박막의 step 필수