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문제 정의
- 본 논문에서는 빛에 의해 발생되는 minority carrier lifetime 측정방법을 사용하여 n형 실리콘 웨이퍼의 화학 HF(이하 HF) 처리 효과를 조사하였다. HF 처리 시간 및 농도를 가변하여 lifetime을 측정 하였으며, HF 처리와 SiNx막 증착을 동시에 사용하여 그에 따른 lifetime의 변화를 비교/분석하였다.
- 본 연구에서는 n형 실리콘 웨이퍼의 lifetime 을 증가시키기 위해 HF 처리를 이용한 화학 패시베이션에 대해 연구 하였다.
제안 방법
- 본 논문에서는 빛에 의해 발생되는 minority carrier lifetime 측정방법을 사용하여 n형 실리콘 웨이퍼의 화학 HF(이하 HF) 처리 효과를 조사하였다. HF 처리 시간 및 농도를 가변하여 lifetime을 측정 하였으며, HF 처리와 SiNx막 증착을 동시에 사용하여 그에 따른 lifetime의 변화를 비교/분석하였다.
- HF 처리 시간에 따른 시료들의 lifetime을 측정·비교하였으며, HF 처리된 시료들을 공기 중에 노출시킨 후 노출시간에 따른 lifetime의 변화를 확인하였다.
- HF 처리 시간을 조절하여 시료 표면 수소 종단 정도를 조절한 후 SiNx막을 증착 하였다. 초기 시료 표면 수소 종단된 정도가 적을수록 SiNx막에 의한 수소 종단 효과가 증가하는 것을 확인 할 수 있다.
- HF 처리 후 이온이 존재하지 않는 초순수(deionized water)로 rinsing 할 경우의 lifetime 변화를 확인 하였다.
- HF 처리에 의한 패시베이션과 박막 패시베이션에 따른 lifetime의 변화를 확인하기 위해 SiNX을 증착 하였다. SiNx은 PECVD(plasma enhanced 화학 vapor deposition)장비를 이용하여 증착 하였다.
- 시료의 기본 세정은 RCA 세정 공정을 사용하였다. SC1(the ammonia and peroxide mixture: APM, NH4OH: H2O2:H2O = 1:2:7)와 SC2(the hydrochloric acid and peroxide mixture: HPM, HCl:H2O2:H2O = 1:2:8)를 각각 75~80℃에 10분간 처리하였다[7-8].
- O에 HF를 일정 비율로 희석한 DHF(diluted HF)을 사용하였다. 상온에서 HF 처리 시간(1~90초)과 H2O에 희석된 농도비율(HF:H2O=1:1, HF:H2O=1:10)을 실험의 변수로써 사용하였다.
대상 데이터
- HF 처리를 위해 H2O에 HF를 일정 비율로 희석한 DHF(diluted HF)을 사용하였다. 상온에서 HF 처리 시간(1~90초)과 H2O에 희석된 농도비율(HF:H2O=1:1, HF:H2O=1:10)을 실험의 변수로써 사용하였다.
- SiNx은 PECVD(plasma enhanced 화학 vapor deposition)장비를 이용하여 증착 하였다. SiH4(silane), NH3(ammonia), N2(nitrogen) 가스를 사용하였으며, 기판 온도는 400℃로 조절 하였다.
- 시료는 비저항 3-5 Ωcm, 두께 500-550 µm를 갖는 n형의(100) 4inch 단결정 실리콘 기판을 4등분하여 사용하였다.
- 시료의 기본 세정은 RCA 세정 공정을 사용하였다. SC1(the ammonia and peroxide mixture: APM, NH4OH: H2O2:H2O = 1:2:7)와 SC2(the hydrochloric acid and peroxide mixture: HPM, HCl:H2O2:H2O = 1:2:8)를 각각 75~80℃에 10분간 처리하였다[7-8].
성능/효과
- HF 처리로 인한 수소 종단 효과로 lifetime이 증가 하지만, 처리 시간이 일정시간을 넘어갈 경우 오히려 lifetime이 감소하는 것을 확인 할 수 있었다. 또한 HF 처리된 시료들을 공기 중에 노출시킬 경우, 공기 중에 있는 산소와 반응하여 자연산화막 형성 및 수소의 탈착으로 lifetime 이 감소함을 확인할 수 있었다.
- 또한 HF 처리된 시료들을 공기 중에 노출시킬 경우, 공기 중에 있는 산소와 반응하여 자연산화막 형성 및 수소의 탈착으로 lifetime 이 감소함을 확인할 수 있었다. HF 처리와 동시에 SiNx막을 시료들 표면에 증착할 경우, SiNx막 증착전 HF 처리를 해주는 것이 그러지 않을 때 보다 더 높은 lifetime을 가지는 것을 확인 할 수 있었다.
- 4 시료를 HF 처리 후 초순수 rinsing을 해주었을 경우와 rinsing 후 SiNx막 증착을 할 경우의 lifetime 변화를 보여주고 있다. HF와 H2O를 1:1의 비율로 혼합한 DHF 용액을 이용하여 5초간 HF 처리를 한 후 2 분간 rinsing을 할 경우, 수소 탈착 등의 이유로 확연하게 lifetime 이 감소 함을 확인 할 수 있었다. 또한 rinsing으로 인하여 시료 표면의 수소 종단이 많이 줄어들었기 때문에 SiNx막을 증착시 수소 종단 효과로 lifetime 이 증가함을 알 수 있었다.
- O를 1:1의 비율로 혼합한 DHF 용액을 이용하여 HF 처리를 할 경우, 처리 시간이 5초가 되면 lifetime이 최고치에 도달하게 된다. RCA 세정과정에서 시료 표면에 생긴 화학적 자연산화막의 식각 및 수소 종단 효과로 인하여 lifetime이 증가함을 확인 할 수 있는데, DHF 용액에서 HF의 농도가 높아 수소 종단 효과가 극대화 되어 HF 처리 시간에 대한 lifetime의 증가가 빠른 것으로 추정할 수 있다. 하지만 10초 이후부터는 lifetime이 감소하게 되는데, 이는 HF로 인하여 급속히 증가하는 표면 미세 거칠기(surface microroughness) 때문이라고 볼 수 있다.
- HF 처리로 인한 수소 종단 효과로 lifetime이 증가 하지만, 처리 시간이 일정시간을 넘어갈 경우 오히려 lifetime이 감소하는 것을 확인 할 수 있었다. 또한 HF 처리된 시료들을 공기 중에 노출시킬 경우, 공기 중에 있는 산소와 반응하여 자연산화막 형성 및 수소의 탈착으로 lifetime 이 감소함을 확인할 수 있었다. HF 처리와 동시에 SiNx막을 시료들 표면에 증착할 경우, SiNx막 증착전 HF 처리를 해주는 것이 그러지 않을 때 보다 더 높은 lifetime을 가지는 것을 확인 할 수 있었다.
- HF 처리로 유도된 거칠기(roughness)는 계면상태밀도를 증가시키기 때문에 lifetime을 감소시키게 된다[7-8]. 또한 HF와 H2O를 1:10의 비율로 혼합한 DHF 용액을 이용하여 HF 처리를 할 경우, 동일하게 RCA 세정과정에서 시료들의 표면에 생긴 화학적 자연산화막의 식각 및 수소 종단 효과로 인하여 lifetime이 증가하는 것을 확인 할 수 있다. 하지만 낮은 HF 농도로 인하여 lifetime의 증가 속도 및 정도가 1:1의 비율로 혼합한 DHF에 비해 낮은 것을 확인 할 수 있다.
- HF와 H2O를 1:1의 비율로 혼합한 DHF 용액을 이용하여 5초간 HF 처리를 한 후 2 분간 rinsing을 할 경우, 수소 탈착 등의 이유로 확연하게 lifetime 이 감소 함을 확인 할 수 있었다. 또한 rinsing으로 인하여 시료 표면의 수소 종단이 많이 줄어들었기 때문에 SiNx막을 증착시 수소 종단 효과로 lifetime 이 증가함을 알 수 있었다.
- 초기 시료 표면 수소 종단된 정도가 적을수록 SiNx막에 의한 수소 종단 효과가 증가하는 것을 확인 할 수 있다. 이를 통하여 HF 처리로 인하여 낮은 수소 종단 효과를 가질 경우, SiNx막으로 인한 수소 종단 효과가 lifetime 증가에 크게 작용하며, 반대로 비교적 HF 처리로 인하여 높은 수소 종단 효과를 가질 경우 SiNx막으로 인한 수소 종 단 효과가 lifetime 증가에 크게 작용하지 않는다는 것을 알 수 있다. 하지만 HF 처리로 인한 수소 종단 효과가 상당히 높을 경우 SiNx막 증착으로 인하여 오히려 lifetime이 감소하는 것을 확인할 수 있는데, 이는 SiNx막 증착 공정시 수소 종단된 시료들의 실리콘 원자들과 수소 원자들의 결합(Si-H)이 상당수 깨어지면서 수소 탈착이 이루어지고, SiH4와 NH3가스들의 실리콘, 질소, 수소 원자들이 시료 표면의 실리콘 원자들과 서로 결합하기 때문에 기존의 실리콘 원자들과 수소 원자들의 결합이 줄어들어 lifetime이 감소한 것으로 추정 할 수 있다.
- 전체적으로 볼 때 HF처리를 한 후 SiNx막을 증착하는 것이 HF처리를 하지 않고 SiNx막을 증착하는 것보다 시료들의 lifetime 이 증가한다는 것을 확인 할 수 있었다.
- HF 처리 시간을 조절하여 시료 표면 수소 종단 정도를 조절한 후 SiNx막을 증착 하였다. 초기 시료 표면 수소 종단된 정도가 적을수록 SiNx막에 의한 수소 종단 효과가 증가하는 것을 확인 할 수 있다. 이를 통하여 HF 처리로 인하여 낮은 수소 종단 효과를 가질 경우, SiNx막으로 인한 수소 종단 효과가 lifetime 증가에 크게 작용하며, 반대로 비교적 HF 처리로 인하여 높은 수소 종단 효과를 가질 경우 SiNx막으로 인한 수소 종 단 효과가 lifetime 증가에 크게 작용하지 않는다는 것을 알 수 있다.
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