[논문]고온 확산공정에 따른 산화막의 전기적 특성

홍능표; 홍진웅

문제 정의

평가하고자 하였다.[2] 고온 확산공정 진행에 따른 산화막의 전기적 특성을 평가함으로써 향후 전력용 소자의 항복전압특성 구현에 가장 큰 영향 요소인 필드(field) 산화막의 전기적 특성평가를 통해 서로 상이한 웨이퍼에 따른 고온 확산공정과 산화막의 특성을 평가함으로써 고온 확산 공정이 전력용 반도체 특성과의 상관성을 미리 추정해 보는데 그 목적이 있다. 이를 통해 고온 확산공정 적용으로 라인 생산성 향상에 크게 기여할 수 있는 가능성을 확인하고자 하였다.
본 논문에서는 메모리 반도체 분야에 집중된 업계 특성상 국내 최초로 웨이퍼 종류에 따라 1300[℃] 이상의 고온에서 확산공정을 시도해 봄으로써 그에 따른 산화막의 케패시터- 전압 특성, 항복전압특성, 웨이퍼의 표면 및 벌크 영역의 결점 분석 등을 보고하고자 하였다.
본 논문에서는 서로 상이한 웨이퍼를 기본시료로 생산성 향상에 막대한 영향을 줄 고온 확산공정이 산화막에 미치는 영향을 평가하고자 하였다.[2] 고온 확산공정 진행에 따른 산화막의 전기적 특성을 평가함으로써 향후 전력용 소자의 항복전압특성 구현에 가장 큰 영향 요소인 필드(field) 산화막의 전기적 특성평가를 통해 서로 상이한 웨이퍼에 따른 고온 확산공정과 산화막의 특성을 평가함으로써 고온 확산 공정이 전력용 반도체 특성과의 상관성을 미리 추정해 보는데 그 목적이 있다.
[2] 고온 확산공정 진행에 따른 산화막의 전기적 특성을 평가함으로써 향후 전력용 소자의 항복전압특성 구현에 가장 큰 영향 요소인 필드(field) 산화막의 전기적 특성평가를 통해 서로 상이한 웨이퍼에 따른 고온 확산공정과 산화막의 특성을 평가함으로써 고온 확산 공정이 전력용 반도체 특성과의 상관성을 미리 추정해 보는데 그 목적이 있다. 이를 통해 고온 확산공정 적용으로 라인 생산성 향상에 크게 기여할 수 있는 가능성을 확인하고자 하였다.[3]

제안 방법

고온 확산에 따른 산화막의 전기적 특성을 연구하기 위하여 인이 첨가된 N형 웨이퍼를 사용했으며 폴리백 마감(seal)처리 유, 무와 웨이퍼 제조시 실리콘 잉곳(ingot) 성장 방식에 따른 구분인 플랫죤방식(FZ)과 쵸클라스키방식(CZ)으로 성장시킨 웨이퍼를 사용하였다. 실험에 사용될 웨이퍼는 초기 세정 후 산화막 1000[Å]정도가 되도록 적정 산화 공정을 진행하였다.
판단된다. 또한 확산온도와 시간과의 관계를 시뮬레이션을 통해 확인 하였다.
평가에 가장 광범위하게 사용되고 있는 방법이다. 본 연구에서는 인가 전압영역을 -30[V]에서 +10[V]까지 인가하여 측정하였으며 산화막내의 이동 전하 및 오염정도를 판단하기 위하여 200[℃]까지 온도를 상승시킨 후 +20[V], -20[V] 의 스트레스 전압을 인가함으로써 산화막내의 이동전하량을 측정할 수 있었다.[4] 전체적인 캐패시터-전압 측정원리, 즉 메카니즘을 기술하자면 외부 인가전압에 대해 산화막 내의 전하와 실리콘 원자재내의 캐리어 분포에 의해 전체 캐패시터 값에서 d(전체 두께) 값의 변화를 가져와 결국 전체캐패시터 값의 변화가 외부 인가 전압 값에 따라 변화하는것이다.
실험에 사용될 웨이퍼는 초기 세정 후 산화막 1000[Å]정도가 되도록 적정 산화 공정을 진행하였다. 이렇게 형성된 산화막은 고온 확산전용 퍼니스에서 각각 1300[℃], 1325[℃], 1350[℃]의 조건으로 확산공정을 진행하였다. 이렇게 진행된 시료는 전기적 특성평가를 위해 상부에 알루미늄 40[kÅ]을 증착 하였으며 선택적으로 알루미늄 전극을 에칭하여 형성하였다.
표 3은 각각에 대한 캐패시터-전압특성 평가결과를 정리한 표로써 시료와 확산 온도와의 상관성을 정리해 놓았다. 표의 결과를 통해서도 확인 할 수 있듯이 산화막내의 이동 전하량은 1300[℃]의 폴리백 웨이퍼에서 가장 작은 값이 나타남을 확인 할 수 있었으며 1325[℃]나 1350[℃] 확산공정 진행시 산화막내의 이동 전하량은 그리 큰 차이를 나타내지 않았다.

대상 데이터

그리고 전력용 반도체 분야, 특히 트라이액 소자의 경우 접합 마감기술은 일부 메사(mesa)방식을 채택하고 있는 회사를 제외하고는 평면(planar)제조 공정을 가진 대다수의 반도체 업체에서는 칩과 칩을 구분하기 위해 100[㎛]이상의 아주 깊은 접합구조가 필수 불가결한 공정이며 이로 인하여 생산성 (through-put)에 많은 문제점이 되고있는 실정이다. 실험에 사용된 웨이퍼는 웨이퍼 전체가 낮은 비 저항값을 갖는 베어(bare)웨이퍼로써 통상적으로 사용중인 테스트 웨이퍼 구조를 가지고 있는 웨이퍼이다. [그림 2]는 15[kÅ] 폴리백 웨이퍼의 캐패시터 특성을 나타낸 그림이다.

성능/효과

향후 추가적인 공정 실험을 통해 현 양산중인 에피웨이퍼와 확산웨이퍼의 경우 유효 저농도층 두께를 고려한 초 고온 확산공정 적용도 가능하리라 판단된다. 끝으로 본 논문에서는 폴리백 15[kÅ]의 FZ웨이퍼가 1325[℃] 온도조건에서 적용 가능성을 확인 할 수 있었으며 현 양산중인 1250[℃] 확산공정에서 80시간 소요되던 확산공정을 20시간 정도로 약 70%이상 단축 가능함을 확인 할 수 있었다.
둘째 폴리백 유,무와 고온 확산공정 진행 후 산화막질 평가 결과에서 큰 차이가 나타나는 것을 캐패시터-전압 특성,웨이퍼 표면의 결점밀도 결과 및 벌크 영역에서의 결점 밀도 등을 통해서 확인할 수 있었다. 확산온도에 따른 웨이퍼의왑(Warpage)특성 결과에서는 1250[℃], 1300[℃]의 왑 변화율은 90[um]-130[um]정도로 미미하게 나타난 반면 1350[℃]에서의 왑 변화율은 다소 시간 증가에 따라 급감하는 것을 확인 할 수 있었으며 본 실험에 사용된 시료의 경우 왑 특성에서는 확산 이후 공정인 사진 공정 진행에 무리가 없는 것을 확인 할 수 있었다.
따라서 본 논문을 통해 초 고온 확산공정의 웨이퍼 종류에 따른 적용 가능성을 확인했으며 이로 인해 추가적인 라인증설 없이 생산성을 200%이상 높일 수 있음을 확인할 수 있었다. 향후 추가적인 공정 실험을 통해 현 양산중인 에피웨이퍼와 확산웨이퍼의 경우 유효 저농도층 두께를 고려한 초 고온 확산공정 적용도 가능하리라 판단된다.
표의 결과를 통해서도 확인 할 수 있듯이 산화막내의 이동 전하량은 1300[℃]의 폴리백 웨이퍼에서 가장 작은 값이 나타남을 확인 할 수 있었으며 1325[℃]나 1350[℃] 확산공정 진행시 산화막내의 이동 전하량은 그리 큰 차이를 나타내지 않았다. 또한 CZ웨이퍼와 FZ웨이퍼의 산화막 특성은 CZ웨이퍼의 특성이 플랫밴드 전압의 이동정도값과 산화막내의 이동전하량(Nss)값이 약간 낮게 나타나는 것을 확인 할 수 있었다. 이는 아무래도 FZ 웨이퍼는 산소함유량이 거의 0[ppma]에 가까운 값을 갖는 반면 CZ웨이퍼는 잉곳 성장 시 필수 불가결 하게 일정량의 산소농도가 존재 함으로써 산소 이온에 의한 전하 또는 결점 포획(defect capture)효과에 기인한 것으로 사료된다.
산화막 질 특성이 열세한 것으로 평가 되었다. 또한 벌크 영역의 결점밀도 결과에서도 CZ웨이퍼에 비해 다소 높은 결점 밀도를 확인 할 수 있었다. 이는 CZ성장 방식 웨이퍼의 경우 FZ방식에는 없는 산소(oxygen)에 의한 게더링 효과에 의한 것으로 사료된다.
사진 10은 CZ 웨이퍼의 1325[℃] 확산공정 진행 후의 결과로서 사진 9에 비해 다소 작은 BMD 밀도를 갖는 것을 확인할 수 있으며 이는 캐패시터-전압특성 결과에서도 언급한 CZ 웨이퍼 내에 존배하는 산소함량에 따른 영향으로 판단된다.
사진 2, 사진 3, 사진 4는 각 웨이퍼에 따른 1325[℃]에서 확산공정 진행한 웨이퍼 표면 결점 사진으로써 온도에 따른 표면결점은 거의 유사한 결과를 보인 반면 폴리백 유,무에 따른 확산온도와 웨이퍼 표면 결점과의 상관성은 큰 차잇점이 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 일반적인 에피웨이펴, 또는 확산웨이퍼의 경우 웨이퍼 뒷면 영역의 고농도 역역에서 결점 게더링 역할을 기대할 수 있으나 본 실험에 사용한 시료의 경우 높은 항복전압을 갖는 트라이액(Triac)용 웨이퍼로써 전체영역이 낮은 비저항의 폴리시드 웨이퍼 이므로 폴리백에 따른 결점의 차이가 확연히 관찰할 수 있었다.
셋째 시뮬레이션 결과를 통해 고온확산 온도에 따라 케패시터-전압특성은 약간의 차이를 발견할 수 있는데 이는 확산시간 차이에 따른 확산 퍼니스내의 가스 분위기에 의한 산화막 두께 차이에 의한 케패시터-전압 결과가 차이가 난 것으로 판단된다. 또한 확산온도와 시간과의 관계를 시뮬레이션을 통해 확인 하였다.
그러나 그림 9의 경우 1350[℃]에서의 확산시간에 따른 왑(warpage)값을 나타내는 그래프로써 시간 증가에 따라 왑값의 감소를 확인 할 수 있다. 왑 특성결과에서 알 수 있듯이 웨이퍼상의 패턴 유,무에 따른 차이는 패턴이 있음에 따라 왑 값이 큰 것은 확인할 수 있었으며 이는 패턴의 산화막단차에 의한 열팽창 계수의 차이에 의해 나타난 것으로 사료된다. 1350[℃]에서의 왑 변화율은 60[um]-120[um]정도로크게 나타나지만 후속 공정인 사진공정 진행에 별 무리가 없는 왑 수준임을 확인 할 수 있었다.
나타나는 것을 확인할 수 있었다. 일반적인 에피웨이펴, 또는 확산웨이퍼의 경우 웨이퍼 뒷면 영역의 고농도 역역에서 결점 게더링 역할을 기대할 수 있으나 본 실험에 사용한 시료의 경우 높은 항복전압을 갖는 트라이액(Triac)용 웨이퍼로써 전체영역이 낮은 비저항의 폴리시드 웨이퍼 이므로 폴리백에 따른 결점의 차이가 확연히 관찰할 수 있었다. 웨이퍼 표면에서의 결점밀도가 폴리백 웨이퍼의 경우 거의 확인이 안되는 반면 폴리백 처리를 않한 웨이퍼 시료의 경우 상당히 높은 결점 밀도가 확인 가능하였다.
80%이상의 공정시간 단축은 바꿔 말하자면 동일한 제조 라인에서 단순 확산온도 증가만으로 4배 이상의 생산성 향상을 기대 할 수 있는 것이다. 전체적으로 사진공정 이 나 이 온주입 공정, 식 각공정 등을 고려 한다면 200% 정도의 생산성 향상을 기대할 수 있는 것으로 예측 가능하다.
첫째 잉곳(ingot)성장 방식 차이에 따른 결과로써 FZ방식으로 성장시킨 웨이퍼가 CZ방식으로 성장시킨 웨이퍼에 비해 산화막 질 특성이 열세한 것으로 평가 되었다. 또한 벌크 영역의 결점밀도 결과에서도 CZ웨이퍼에 비해 다소 높은 결점 밀도를 확인 할 수 있었다.
그림 5는 그림 3의 폴리백 미처리 시료의 200[℃]까지 온도를 상승시킨 후 +20[V]의 베이스 스트레스전압 인가 후 상온에서의 캐패시터-전압 결과이다. 초기 값과는 다르게 -30[V]때 캐패시터 값이 거의 유사한 값이 나타났으며 바이어스(bias) 전압의 증가에 따라 1300[℃]시료만 약간 앞서 증가하기 시작하나 거의 유사한 경향치가 나타남을 확인 할 수 있다.
놓았다. 표의 결과를 통해서도 확인 할 수 있듯이 산화막내의 이동 전하량은 1300[℃]의 폴리백 웨이퍼에서 가장 작은 값이 나타남을 확인 할 수 있었으며 1325[℃]나 1350[℃] 확산공정 진행시 산화막내의 이동 전하량은 그리 큰 차이를 나타내지 않았다. 또한 CZ웨이퍼와 FZ웨이퍼의 산화막 특성은 CZ웨이퍼의 특성이 플랫밴드 전압의 이동정도값과 산화막내의 이동전하량(Nss)값이 약간 낮게 나타나는 것을 확인 할 수 있었다.
사진 8에서도 어느 정도파형 들뜸현상이 나타나는 것을 확인 할 수 있다. 항복전압 특성에서 확인 된 결과 1350[℃]보다는 1325[℃] 확산 시료에서 보다 안정적인 항복전압 특성을 얻을 수 있었다.
통해서 확인할 수 있었다. 확산온도에 따른 웨이퍼의왑(Warpage)특성 결과에서는 1250[℃], 1300[℃]의 왑 변화율은 90[um]-130[um]정도로 미미하게 나타난 반면 1350[℃]에서의 왑 변화율은 다소 시간 증가에 따라 급감하는 것을 확인 할 수 있었으며 본 실험에 사용된 시료의 경우 왑 특성에서는 확산 이후 공정인 사진 공정 진행에 무리가 없는 것을 확인 할 수 있었다.

후속연구

향후 추가적인 공정 실험을 통해 현 양산중인 에피웨이퍼와 확산웨이퍼의 경우 유효 저농도층 두께를 고려한 초 고온 확산공정 적용도 가능하리라 판단된다. 끝으로 본 논문에서는 폴리백 15[kÅ]의 FZ웨이퍼가 1325[℃] 온도조건에서 적용 가능성을 확인 할 수 있었으며 현 양산중인 1250[℃] 확산공정에서 80시간 소요되던 확산공정을 20시간 정도로 약 70%이상 단축 가능함을 확인 할 수 있었다.

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