산화과정을 설명하는 아레니우스라고 불리는 경험식(실험식)이 있습니다.
산화공정을 이해하고 설계할 수 있어야 합니다.
산화막의 특징에 대해 산화 속도나 품질을 이해하고
적당한 산화공정 산화막을 이해할 수 있어야 한다.
실리콘과 산소가 만나서 산화하는 공정입니다.
결합하기 위해서 실리콘과 산소가 적합한 에너지 상태가 되어야 합니다.
에너지적으로 안정된 상태면 결합하지 않습니다.
화학결합에 충분한 들뜬 상태가 되어야 합니다.
이러한 상태는 화학적으로 불안정한 상태입니다.
안정된 상태는 결합할 수 없습니다.
실리콘은 들뜬 상태로 만들기 어렵습니다.
활성화된 상태로 만들어 주기 위해서는
우리가 열을 줘서 실리콘과 산소를 활성화 시키겠다는것 입니다.
900~1200도의 고온상태로 웨이퍼를 가열하면
웨이퍼 표면이 활성화된 상태가 되고 산소와 결합해서 SiO2가 됩니다.
Thermal oxidation 자체도 Dry가 있고 Wet이 있다.
건식산화와 습식산화로 나뉘는 것이다.
산화에 필요한 산소를 어떻게 공급하느냐
Wet은 물로 공급해서 산화시키는것입니다.
일반적으로 습식산화가 공급량이 훨씬 많습니다.
그렇기에 산화속도가 빠르다.
건식 산화는
산화막의 품질이 훨씬 안정적이고 좋다.
산화공정에 열에너지가 필요한 이유는
www.youtube.com/watch?v=nzF8f6ocqXo
빨간색은 초기 산화층(외부에서부터 자연스럽게 산화가 이뤄진 상태)
Wet Oxidation에서 빨간색 산소 하얀색 수소
거친형태로 산화가 진행됩니다.
겉 표면이 부풀어 오르면서 실리콘 안쪽으로 산소가 침투해간다.
시간이 흐르면 흐를수록 성장 속도가 늦춰진다.
Dry Oxidation은 천천히 치밀한 막이 형성되고 순수하게 산소만 공급합니다.
산소가 웨이퍼 안쪽으로 얼마나 빠르게 들어갈수 있느냐는
운동에너지와 관련 있다.
프로세스 온도가 산소가 웨이퍼 안으로 침투해 들어가는 속도를 결정합니다.
고온의 물이나 산소들이 고온에서 빠르게 이동합니다.
온도에 따라서 산소가 디퓨전해져 들어가는 정도가 달라진다.
x축이 온도에 관련한 식인데
1000/T 니까 오른쪽으로 갈수록 T값이 줄어드는것이다.
온도가 높아질수록 diffusivity가 높아집니다.
아레니우스 관계는 온도에 대해서 로그 plot이
linear할 때 아레니우스 관계라고 말합니다.
물,산소,수소 이처럼
몰레큘의 종류에 따라서 디퓨전되는 속도가 다릅니다.
나트륨이 실리콘이 좋지 않은 영향을 미치는데
불운하게도 확산도가 높아서 오염요인이 되어
잘 제어해야 한다.
온도가 높아질수록 확산이 잘된다.
확산 속도는 종류에 따라서도 달라진다.
바깥에서 산소가 들어와서
점점 산화되는 정도 입니다.
농도 분포의 차이가 형성되는데
농도차에 의해서 diffusion해서 들어가게 됩니다.
실리콘 웨이퍼의 표면
특정위치에서의 농도를 N(x)라고 합시다.
우리가 농도 N을 x에 따른 미분
확산이 농도가 감소하는 방향으로 일어나니까
-dN/dx
산소의 Flux는 J=-D*dN/dx
시간이 지나면 x0의 위치가 오른쪽으로 가게된다(두께가 증가한다.)
어느 위치에서간에 J값은 같아야 한다.
산소가 얼마나 이동하는 정도인데
전달량이 다르면 시간에 따라 계속 상승하거나 감소하기 때문이다.
(홀이나 범프가 발생한다.)
Ja=Jb=Jc
온도를 알면 그래프를 보고 Diffusity를 구할 수 있고
activation energy와 D0값을 알 수 있으면
아레니우스 관계식을 이용해서도 구할 수 있다.
볼츠만상수*온도=그 온도에서의 모레큘들의 운동에너지 값이 나온다.
운동에너지 값이 커지면 커질수록 확산도가 높아지는것
activation 에너지는 분자들이 디퓨전하고자 하는 분자들이
디퓨전하기위한 최소한의 에너지라고 생각하면 됩니다.
'Ea가 크면 정상적인 상황에서 확산이 잘 안된다'
D0나 Ea는 실험을 통해서 구해놨다.(재료별로 값이 주어진다.)
D값을 알고 그래프나 수식을 통해서 구했을 떄
Fick's의 first law에 의해서 수식을 찾을 수가 있는데
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