2.4 산화 공정) CMOS에서 사용되는 산화막, 유전체 (USG, PSG, BPSG), 증착 방식

출처 : 위키백과

 

CMOS 산화막 종류

USG(Undoped Silica Glass)

화학식 : TEOS((C2H5O)4Si) + 오존(O3) --> SiO2
불순물이 없다는 것이 가장 큰 장점입니다.

 

BPSG(Borophosphorsilicate Glass)

USG 공정에서 TMP(P(CH3O)3), TMB(B(CH3O)3)을 첨가하여 형성시킵니다.
BPSG는 SiO2보다 절연 특성이 좋습니다.
- 붕소 같은 경우, 850'C 고온에서 열처리를 실시하면 산화 막이 완만하게 되어 하층막 패턴에 의한 단차가 평탄화되기 때문에 사용합니다.
- 인 같은 경우, 알칼리 이온을 포획하여 소자 특성에 나쁜 영향을 배제하기 위해 적용됩니다.
붕소 같은 경우는 간혹 수분과 반응하여 BPO4라는 결점을 생성시킬 수도 있기 때문에 PSG로 전환을 하는 추세입니다.

 

PSG(Phosphosilicate Glass)

USG 공정에서 TMP(P(CH3O)3)을 첨가하여 형성시킵니다.
비메모리 반도체에서는 PMD 박막을 CMP로 평탄화하는 공정을 진행하기 때문에 굳이 붕소를 넣지 않습니다.

 

FSG(Fluourine Silicate glass) : SIOF

 

Process	장점	단점	응용
APCVD	- 단순 반응 - 빠른 증착 속도 - Gap fill 능력 우수	- 낮은 스텝커버리지 - Metal 오염 - 작은 세정	- STI Fill Layer - BPSG/PSG Layer
LPCVD	- 불순물이 적음 - 높은 두게 균일도 - 균일 스텝커버리지	- High Temp	- High Temp SiO2 - SiN - W-Silicate - W-plup dep
PECVD	- Low Temp - 빠른 증착속도	- Hydrogen content - Plasma 손상	- 금속 층간 절연막(IMD) - 소자보호막(Passivation) - 비반사막(DARC SiON)
SACVD	- Metal 오염, free - 긴 세정 주기	- Crack 발생	- STI Fill Layer - BPSG/PSG Layer
HDPCVD	- Gap fill 능력 우수 - 모든 절연 공정	- Plasma damage	- STI Fill - Stop etch Nitride - IMD(USG, FSG) - Passivation
SOG	- Gap fill 능력 우수 - Low K 구현가능	- Crack 발생 - Poisson Via 불량 - 낮은 신뢰성	- 금속 층간 절연막(IMD)

출처 : 이병철) 반도체 박막 성장법과 장비기술 논문

CMOS Dielectric application

CMOS에서 Dielectric 박막의 application은 다음과 같습니다.
(참고 : 증착 장비는 유동적으로 바뀝니다. 대표적인 예를 든 것뿐입니다.)

1. Shallow Trench Isolation (STI) : USG(undoped silica glass)

STI 기법은 서로 다른 타입의 MOSFET를 분리시키기 위해 사용됩니다.
APCVD를 이용하여 USG를 증착시키거나(논문) HDPCVD를 이용하여 USG를 증착시킵니다.
이 두 장비를 사용하는 이유는 Gap fill 능력이 우수하기 때문입니다. 즉, Trench etch로 판 부분을 채우는 능력이 매우 좋습니다.

-참고 : Gap fill 능력이 좋은 이유는 MFP가 짧기 때문입니다.

2. Sidewall Spacer : USG, SiO2

Hot carrier 방지를 위한 LDD 구조를 만들기 위해 사용됩니다.

3. Pre-metal dielectric(PMD) : PSG, BPSG

소자 절연 및 보호를 위해 사용되는 층입니다. Front-end의 마지막 공정으로 소자 불량을 방지하기 위해 저온 공정을 진행해야 합니다.
LPCVD, APCVD를 이용하여 PSG, BPSG를 증착합니다.

4. Inter-metal dielectric(IMD) : USG, FSG

PMD 위에 올리는 절연층입니다.
HDPCVD, PECVD를 이용하여 증착합니다.

5. Anti-reflection coating : SiON

태양전지에서 반사 방지로 광 효율을 높이는 데 사용됩니다.
PECVD를 이용하여 증착시합니다.

6. Passivation dielectric : Oxide, Nitride

소자 보호막 역할을 합니다.
PECVD를 이용하여 Si3N4를 증착시킵니다.

7. Gate Oxide : HfO2, SiO2

SiO2 : 열 산화를 이용하여 gate oxide를 형성시킵니다.
HfO2 : high k의 요구에 따라 증착 장비로 gate oxide를 형성시킵니다.

8. Pad Oxide : SiO2

열 산화를 이용하여 SiO2를 증착시킵니다.