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문제 정의
- 종합적으로 이루어져야 한다. 따라서 본 연구에서는 증착 실험에 앞서 우선 Si 에피층을 증착할 수 있는 공정조건의 범위를 찾기 위하여 증착 공정의 열화힉적 전산모사를 수행하였고 이를 통해 process windowf- 예측하였으며, 또한 반응기 내의 평형 기상 조성을 공정 변수의 함수로 조사해 봄으로써 에피 Si 증착에 있어 공정 parameter들이 미치는 영향을 미리 예측하여 보았다. 이어 실제 증착 실험을 수행하였고, 에피층의 특성 향상을 위한 증착 공정 연구와 증착전 세정 공정 연구 등을 통해 결정 결함이 낮고 막특성이 매우 우수한 Si 에피층을 얻을 수 있었다.
- 본 연구에서는 Si epi-layer* 증착하기 위한 장치개발 및 공정개발을 목적으로, 열역학 전산모사와 증착실험을 수행하였으며 그 결과 양질의 Si epi-wafer를 얻을 수 있었다. 열역학 전산모사를 통해 실험할 조건들의 범위를 축소하였으며 공정 parameter들이 증착공정에 미치는 영향을 파악하였다.
제안 방법
- 구성되어 있다. Load-lock chamber는 main chamber# 외부로부터 차단하는 역할을 하며, main chamber는 반응기 내부의 thermal uniformity를 확보하기 위하여 세 점에서 온도를 각각 감지하고 조절이 가능한 resistant radiant heater를 사용하叫 반응기를 1000℃ 정도까지 가열 가능하도록 설계하였다. Si 증착 공정에 요구되는 진공도를 얻기 위해 pumping 장치 (turbomolecular pump, booster pump, rotary pump)를 사용하였으며, 또한 반응기가 hot-wall type이기 때문에 main chamber 이외의 부분이 열전도에 의해 가열될 수 있으므로 냉각수를 흘려주어 main chamber 외부를 냉각시켰다.
- Load-lock chamber는 main chamber# 외부로부터 차단하는 역할을 하며, main chamber는 반응기 내부의 thermal uniformity를 확보하기 위하여 세 점에서 온도를 각각 감지하고 조절이 가능한 resistant radiant heater를 사용하叫 반응기를 1000℃ 정도까지 가열 가능하도록 설계하였다. Si 증착 공정에 요구되는 진공도를 얻기 위해 pumping 장치 (turbomolecular pump, booster pump, rotary pump)를 사용하였으며, 또한 반응기가 hot-wall type이기 때문에 main chamber 이외의 부분이 열전도에 의해 가열될 수 있으므로 냉각수를 흘려주어 main chamber 외부를 냉각시켰다.
- 2 는 본 연구에서 사용한 습식 세정공정의 공정흐름을 보여 주고 있다. TCE(trichloro ethylene)와 methanol을 人} 용하여 ultrasonic 하에서 각각 5분간 세정하여 기판 위의 유기 오염물들을 제거하여 기판의 wettability를 향상시켰으며, 16~18MQ-cm의 초순수를 사용하여 5분간 세정하였고, 이후 H2SO4와 HQ를 4 : 1로 섞은 용액에 1 분간 dipping하여 이온 유기물을 제거하여 주었다. 다시 초순수로 세정한 후 마지막 단계로 0.
- 평형 조성의 계산에 필요한 열역학 data는 각 화학종들의 표준 생성 엔탈피 (AH《, 298 K), 표준 생성 엔트로피 (AS; 298 K) 그리고 정압 열용량(C;) 관계식들이다. △H: 값은 문헌의 값을 그대로 사용하였고, AS? 값은 문헌으로부터 얻은 표준상태 엔트로피 (S°, 298 K) 값을 계산 처리하여 얻었으며, C; 관계식은 온도에 따른 정압 열용량의 실험 data를 주어진 정압 열용량 관계식으로 curve fitting하여 이로부터 관계식의 계수들을 도줄하는 방법으로 구하였다[7]. 열화학적 전산모사는 400~1600℃ 의 온도 범위, 0.
- 방지하기 위해 반응기체 주입관을 이중벽으로 제작하였고 그 외관에 coolant M를 주입하였다. 그리고 main chamber가 loading chamber와 직접 연결되어 있기 때문에 반응기 내부로 들어간 반응기체의 loading chamber로의 down-flow가 심해질 수 있으므로 이를 방지하기 위해 loading chamber에 H2 curtain flow를 흘려줌으로써 main chamber와 동일한 압력이 유지되도록 하였다. 이것은 반응기체가 loading chamber로 흘러 들어가는 것을 방지하고 반응기 내부의 gas flow를 laminar flow가 되도록 지향함으로써 layer-by-layer 형태의 2-D(two- dimensional) growth로.
- 기판의 온도가 prebaking을 위한 온도(925~950℃)에 이르면 수소 기체를 30분간 흘려주어 습식서정 후 이송시에 생긴 native 및 chemical oxide를 제거하였다. 기판의 prebaking이 끝나면 반응기 온도를 증착온도(875~925℃)까지 냉각시켰으며, 온도가 안정화되면 반응기 압력 및 입력 기체비 (H2/SiH2Cl2)< 각각 l~10Ton와 10~100의 범위에서 변화시켜 가면서 30분간 증착하였다. 증착시 기판은 13 rpm으로 회전시켜 주었으며, 증착이 끝나면 수소기체와 curtain flow를 제외한 모든 gas flow를 닫고 반응기의 온도를 하강시켰으며, 온도가 600℃ 이하로 내려가면 모든 gas flow를 닫고 turbomolecular pump를 가동하여 진공을 잡은 후 unloading하였다
- 이때 loading chamber에도 H2 curtain flow를 흘려줌으로써 main chamber 내의 H2 gas가 loading chamber로 흐르는 것을 방지한 채 기판을 main chamber로 이송하였다. 기판의 온도가 prebaking을 위한 온도(925~950℃)에 이르면 수소 기체를 30분간 흘려주어 습식서정 후 이송시에 생긴 native 및 chemical oxide를 제거하였다. 기판의 prebaking이 끝나면 반응기 온도를 증착온도(875~925℃)까지 냉각시켰으며, 온도가 안정화되면 반응기 압력 및 입력 기체비 (H2/SiH2Cl2)< 각각 l~10Ton와 10~100의 범위에서 변화시켜 가면서 30분간 증착하였다.
- 본 연구에서는 양론적 (stoichiometric) algorithm을 사용하여 Si-H-Cl의 3성분계의 평형 조성을 계산하였다. 평형 조성의 계산에 필요한 열역학 data는 각 화학종들의 표준 생성 엔탈피 (AH《, 298 K), 표준 생성 엔트로피 (AS; 298 K) 그리고 정압 열용량(C;) 관계식들이다.
- 열역학 전산모사를 통해 실험할 조건들의 범위를 축소하였으며 공정 parameter들이 증착공정에 미치는 영향을 파악하였다. 전산모사를 통해 제한된 공정조건을 바탕으로 한 증착실험을 통해 얻은 양산성 있는 Si 에피층의 증착공정 조건은 증착온도 850~950℃, 반응기 압력 2~5 Torr 그리고 입력기체의 조성비 (HJSilECD 30~70임을 알 수 있었으며, 이러한 조건에서 소자 품격의 Si 에피층을 증착할 수 있었다.
- △H: 값은 문헌의 값을 그대로 사용하였고, AS? 값은 문헌으로부터 얻은 표준상태 엔트로피 (S°, 298 K) 값을 계산 처리하여 얻었으며, C; 관계식은 온도에 따른 정압 열용량의 실험 data를 주어진 정압 열용량 관계식으로 curve fitting하여 이로부터 관계식의 계수들을 도줄하는 방법으로 구하였다[7]. 열화학적 전산모사는 400~1600℃ 의 온도 범위, 0.001-760 Torre 압력 범위, 그리고 10~100의 H2/SiH2Cl2H] 범위에서 각각의 변수를 변화시키는 방식으로 수행되었다. 한편 CVD 상평형도의 계산에 있어서는 온도를 10 K 간격으로 그리고 입력 기체의 조성비는 0.
- 본 연구에서는 SiHCL와 玦의 혼합기체를 원료로 사용하였다. 우선 평형 조성의 계산에 앞서 Si-H-Cl 3성분계로부터 구성될 수 있는 모든 화학종들을 조사하였고, 광범위한 문헌조사를 통해 주로 실험적으로 검증된 열역학 data가 있는 화학종들을 우선적으로 선택하였다. 이렇게 선택된 화학종들은 모두 22종으로서 이 중 기상종들은 모두 20종이고 액상과 고상 종은 각각 Si(l)과 Si(s)이다[7-14].
- 에피층의 etch-pit density를 측정하였다. 증작증의 두께와 비저항은 SRP(Spreading Resistance Prowler)와 Four-Point Probe mapping을 사용하여 측정하였고, 즉정값의 variatione 식(1)로 정의된 uniformity로 나타내었다.
- 증착된 Si 에피층은 XRD와 SEM을 사용하여 그 결정성과 morphology를 측정하였으며, 에피 실리콘을 중크롬산으로 식각한 후의 광학현미경 관찰을 통해 증착된 Si 에피층의 etch-pit density를 측정하였다. 증작증의 두께와 비저항은 SRP(Spreading Resistance Prowler)와 Four-Point Probe mapping을 사용하여 측정하였고, 즉정값의 variatione 식(1)로 정의된 uniformity로 나타내었다.
- 증착된 기판의 표면 결함 분석을 위해, 중크롬산 칼륨(KQQ)과 불산(HF)을 혼합한 용액을 사용하여 증착된 박막을 식각하였으며 광학 현미경을 통해 etch-pit를 관찰하였다. Fig.
- 한편 반응기체가 반응기 내부로 주입되는 동안 cracking 온도 이상으로 가열되면 homogeneous 기상 반응이 가속되어 기상에서 Si particle을 형성할 수 있으므로, 이를 방지하기 위해 반응기체 주입관을 이중벽으로 제작하였고 그 외관에 coolant M를 주입하였다. 그리고 main chamber가 loading chamber와 직접 연결되어 있기 때문에 반응기 내부로 들어간 반응기체의 loading chamber로의 down-flow가 심해질 수 있으므로 이를 방지하기 위해 loading chamber에 H2 curtain flow를 흘려줌으로써 main chamber와 동일한 압력이 유지되도록 하였다.
대상 데이터
- Purge와 분위기 기체로는 질소(N2>와 아르곤 (Ar)을 각각 사용하였다.
- Si epitaxy에 사용된 원료 기체는 SiJ&CL이고 carrier gas로는 를 사용하였으며, 이때 或는 hydrogen purifier 를 통해 정제하여 용존 산소의 양이 수십 ppb 이하가 되도록 하였고, loading chamber의 curtain flow로도 사용하였다. Purge와 분위기 기체로는 질소(N2>와 아르곤 (Ar)을 각각 사용하였다.
- 1은 본 연구에 사용된 Si epitaxy 장치에 대한 개략도를 나타내고 있다. 본 연구에서 사용한 hot-waU LPCVD 반응기는 크게 세부분 즉, main chamber, loading chamber 그리고 load-lock chambers. 구성되어 있다.
- 본 연구에서 사용한 기판은 (001) Si이었으며 증착에 앞서 습식 세정이 이루어졌다. 습식 세정공정은 전형적인 RCA 공정을 기초로 하여 구성되었으몌 15], Fig.
- 열역학계이다. 본 연구에서는 SiHCL와 玦의 혼합기체를 원료로 사용하였다. 우선 평형 조성의 계산에 앞서 Si-H-Cl 3성분계로부터 구성될 수 있는 모든 화학종들을 조사하였고, 광범위한 문헌조사를 통해 주로 실험적으로 검증된 열역학 data가 있는 화학종들을 우선적으로 선택하였다.
성능/효과
- 또한, SRP를 통해 증착속도를 측정해 본 결과, 약 0.035 ㎛/min 정도의 증착속도를 가짐을 확인할 수 있었으며, 두께와 비저항의 uniformity를 SRP와 Four-Point Probe를 통해 측정해 본 결과, wafer내의 uniformity는 10.1 % 이내 그리고 wafer간의 uniformity는 2.9 % 이하임을 확인할 수 있었다.
- 따라서 본 연구에서는 증착 실험에 앞서 우선 Si 에피층을 증착할 수 있는 공정조건의 범위를 찾기 위하여 증착 공정의 열화힉적 전산모사를 수행하였고 이를 통해 process windowf- 예측하였으며, 또한 반응기 내의 평형 기상 조성을 공정 변수의 함수로 조사해 봄으로써 에피 Si 증착에 있어 공정 parameter들이 미치는 영향을 미리 예측하여 보았다. 이어 실제 증착 실험을 수행하였고, 에피층의 특성 향상을 위한 증착 공정 연구와 증착전 세정 공정 연구 등을 통해 결정 결함이 낮고 막특성이 매우 우수한 Si 에피층을 얻을 수 있었다.
- 열역학 전산모사를 통해 실험할 조건들의 범위를 축소하였으며 공정 parameter들이 증착공정에 미치는 영향을 파악하였다. 전산모사를 통해 제한된 공정조건을 바탕으로 한 증착실험을 통해 얻은 양산성 있는 Si 에피층의 증착공정 조건은 증착온도 850~950℃, 반응기 압력 2~5 Torr 그리고 입력기체의 조성비 (HJSilECD 30~70임을 알 수 있었으며, 이러한 조건에서 소자 품격의 Si 에피층을 증착할 수 있었다.
후속연구
- 본 연구의 지금까지의 결과는 상용화되어 있는 Si 에피 반응기의 증착속도와 uniformity에는 미치지 못하지만 장치와 공정의 최적화를 통해서 상용성있는 대용량 Si 에피 반응기의 구현이 가능하리라 본다.
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