신소재기초실험 | MOS 소자 형성 및 C-V 특성 평가

 

 

 

TIP

 

 

MOS(Metal-Oxide-Semiconductor)소자를 직접 제작하여 공정과정들을 이해하고, 그래프를 해석하며, SiO₂의 두께에 따라 유전상수의 변화를 알아본다.

 

 

 

기상증착법(Vapor Deposition)

크게 두 가지로 분류된다. PVD(Physical Vapor Deposition)와 CVD(Chemical Vapor Deposition)다. 가스반응 및 이온 등을 이용하여 탄화물, 질화물 등을 기관(Substrate)에 피복하여 간단한 방법으로 표면 경화층을 얻을 수 있는 것으로써, 가스반응을 이용한 CVD와 진공중에서 증착하거나 이온을 이용하는 PVD로 대별되며 공구 등의 코팅에 이용된다. 이 둘의 차이는 증착시키려는 물질이 기판으로 기체상태에서 고체상태로 변태될 때 어떤 과정을 거치느냐이다. 공정상의 뚜렷한 차이점은 PVD는 진공 환경을 요구한다는 것이다. 반면에 CVD는 수십～수백 torr 내지는 상압의 환경에서도 충분히 가능하다. 다만 CVD는 PVD보다 일반적으로 훨씬 고온의 환경을 요구한다

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실험 방법

1. cleaning

1) Piranha cleaning

Si wafer를 H₂SO₄ : H₂O₂ = 4 : 1 로 만든 용액에 10min 담가두어 wafer 위의 유기물을 제거한다.

 

2) HF cleaning ㅡwafer표면에 형성되는 산화막을 제거하기위해 사용

HF : D.I wafer = 1 : 10 용액에 wafer를 담궈 native oxide를 제거한다.(chemical oxide도 제거)

 

2. Oxidation

실리콘 표면 위에 산화막 층을 형성하기 위한 방법으로 실리콘 표면을 산화시키는 공정이다.

1) 용도 : Gate capacitor, MOSFET에서의 유전체

 

2) 산화막 형성방법 : Thermal Oxidation

 

3. Photo-lithography(사진식각공정)

1) wafer cleaning

wafer표면의 입자문제뿐만 아니라 유기물, 이온, 금속 불순물의 오염을 막기위해 화학적으로 세척웨이퍼 세척과 반도체 공정에 전반적으로 사용되는 중요한 화학물이 바로 DI water이다. DI water는 이온 입자, 박테리아 같은 오염물질을 제거한 매우 순수한 물이다.

 

2) 장벽형성

wafer위에 실리콘 산화막(SiO₂)을 입힌다. 초기 실리콘 웨이퍼는 회색을 띤다. 여기 실리콘 산화막층이 형성되면 표면은 실리콘 산화막층 두께에따라 다른 색깔을 띠게된다.

 

 

3) 스핀코팅(감광처리)

PR coating이라 함은 분사된 액상 PR을 높은 회전수로 회전시켜 균일한 얇은 막의 형태로 기판 전체를 도포시키는 과정이다. PR이란 특정 파장대의 빛을 받으면 반응을 하는 일종의 감광 고분자 화합물이다.(점성 강함)

① 금속막이 형성된 웨이퍼를 Spin coater에 올려 진공으로 고정한다.

② 위에 스포이드로 PR을 충분히 떨어뜨린다.

③ 저속 500rpm으로 5초, 고속 3500rpm으로 35초를 돌린다

④ 두께는 2.5～0.5μm범위가 된다. 감광제의 실제적인 두께는 그것의 점도에 따라 달라지며 회전속도의 제곱근에 반비례한다.

 

 

4) soft-bake

소프트베이킹이라 불리는 건조과정은 감광제의 용제를 제거하고, 접합을 향상시키는데 사용된다. 실험)Soft-bake 과정으로 Heater 또는 oven 70℃정도에 1분동안 구워준다.

 

5) 마스크배열(alig㎚ent)

포토마스크는 한쪽 면이 감광 유제나 금속막으로 패턴이 되어있는 사각형의 유리판이다. 각각의 마스크는 전 공정에 따라 웨이퍼의 패턴에 조심스럽게 배열되어야만 한다.

중앙에 배치되도록 정렬하고 빛을 쏘아 잘 배치되었는지 본다

 

6) UV 노광

배열한우에 마스크를 통해 높은 밀도의 높은 자외선을 감광제에 노출한다. 감광제가 노출된 실리콘 산화막은 제거된다. 자외선에 노출된 감광제는 물성이 변해 씻겨져 나가 실리콘산화막이 남게 된다. 이런 감광제를 양감광제라 하고 마스크는 웨이퍼에 남기려는 패턴이 되어있다. 음감광제는 노출된 부분이 표면에 남게 된다.

 

 

7) Development(현상)

정렬 및 노광 후 현상액(알칼리용액)을 이용하여 필요한 곳과 필요 없는 부분을 구분하여 상을 형성하기 위해 일정부위의 PR을 제거한다.

식각 되어야 할 부분에 존재하는 PR을 제거한다(알칼리 용액 사용)

 

 

8) 중간 세척 및 건조 후 현미경 관찰

패턴이 깔끔하게 나온 것이 있는 반면 기스같은게 너무 심하게 나 있던 것들도 있었다.

 

9) hard-bake

감광제를 굳게 하고, 기판에 잘 접합시키기 위해 굽는 작업을 한다. 일반적인 과정은 오븐의 온도를 120～180˚C로 하고 20-30분간 굽는다

 

10) etch

resister라고 부르는 유기 보호막에 의한 pattern을 wafer상에 형성하고 보호막이 없는 부분을 화학적 혹은 물리적으로 가공하는 것이다.

① Wet etching (습식화학에칭) : 금속등과 반응하여 부식시키는 산계열의 화학약품을 이용하여 thin film layer의 노출되어있는(PR pattern이 없는)부분을 녹여내는 방법

② Dry etching(건식에칭) : ion을 가속시켜 노출부위의 물질을 떼어냄으로서 pattern을 형성하는 방법

 

 

11) 감광막 제거(PR제거)

스트리퍼를 사용해 감광막을 기판으로부터 부풀어 오르게 하고 접착력을 약화시켜 Photo resist층을 제거하면 산화막 층만 남게 되고 마스크에 있던 패턴과 정반대되는 무늬가 남는다. 즉, 실리콘 층이 보이는 부분이 바로 마스크위의 무늬와 일치하는 것이다.

 

 

4. Deposition

1) Target의 DC 전압에 의해 plasma(Ar → + Ar⁺ + e^-) 발생

 

2) Ar⁺가 target으로 가속

 

3) Target의 원자들이 떨어져 기판 쪽으로 이동

 

4) 원자들이 기판 위에서 응축, 얇은 Pt 박막을 형성

 

5. lift-off : 원치 않는 부분의 Pt와 PR을 아세톤을 이용하여 제거한다

1) PR의 두께 > Pt의 두께일 때 쓸 수 있는 공정이다.

 

2) 에칭은 metal을 떼어내고 PR을 남겼음 → 반대되는 개념이다.

 

3) Lift-off란 film deposition 이전에 PR patterning을 하고 그 위에 film deposition을 한 후 PR을 제거함으로서 pattern을 형성시키는 방법을 말한다. PR을 용제(solvent)에 녹이는 과정에서 PR 위에 deposition된 film은 제거되고 substrate 위에 deposition된 film 만이 남게 되는 것이다. lift-off가 적절이 이루어지기 위해서는 상부와 하부막 사이에 매우 얇은 영역이나 틈이 존재해야한다 그렇지 않으면 찢어지거나 불완전한 lift-off가 된다.

 

6. C-V Parameter를 이용하여 Capacitance-voltage curve를 측정

 

 

 

[신소재기초실험]MOS 소자 형성 및 C-V 특성 평가 레포트