Q. 수소 어닐링 질문입니다.

답변 3

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  채택스포스코

  코전무 ∙ 채택률 77%

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  채택된 답변

  안녕하세요. 멘티님. 반갑습니다. 현업에서는 보통 공정 흐름을 나눠서 보시면 이해가 쉬우십니다. High k와 금속전극 형성은 먼저 끝내고 그 다음에 수소 어닐링을 붙여서 계면 결함을 줄이는 식으로 가는 경우가 많습니다. 다만 장비와 공정 설계에 따라 한 챔버 안에서 연속적으로 처리하는 형태도 있어서 무조건 한 번에 끝난다고 보시면 안 됩니다. 시간은 생각보다 길지 않은 편이고 핵심은 고온에서 오래 두는 것이 아니라 적정 온도와 압력에서 수소가 충분히 퍼지게 만드는 데 있습니다. 실제로는 짧게 끝내는 쪽이 많고 그 뒤 후속 열처리와 전기적 특성 확인으로 이어집니다. 쓰임새는 HKMG 계면 결함 보정이 가장 대표적이지만 그것만 있는 것은 아닙니다. 트랜지스터 신뢰성 개선이나 산화막 내부 결함 완화 실리콘 다이오드나 센서 쪽 표면 패시베이션에도 응용됩니다. Deuterium은 H2와 거의 같은 방식으로 들어가지만 결합이 더 안정해서 빠져나가는 속도가 느리고 열에 대한 버팀이 좋아서 장기 신뢰성에서 차이가 납니다. 물리적으로는 질량 차이 때문에 진동 에너지와 확산 속도에 차이가 생기고 그 결과 결함 자리에서의 거동이 달라집니다. 그래서 보통은 H2는 빠른 패시베이션용으로 보고 deuterium은 더 오래 버티는 안정화 용도로 이해하시면 맞습니다. 모쪼록 도움이 되셨다면 채택부탁드립니다. 감사합니다.

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  안경공대남SK하이닉스

  코부사장 ∙ 채택률 64% ∙

  회사

  학교

  일치

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  채택된 답변

  HKMG 공정에서 HPSP(High Pressure Annealing)는 일반적으로 High-k와 Metal Gate를 모두 형성한 이후 실시하는 경우가 많습니다. 목적이 High-k/Metal Gate 계면과 High-k 내부 결함을 동시에 개선하는 것이기 때문입니다. 다만 공정 플로우는 Gate-first, Replacement Metal Gate 등 공정 방식과 회사별 레시피에 따라 달라질 수 있어 “항상 한 번에 한다” 또는 “반드시 따로 한다”고 말하기는 어렵습니다. 어닐링 시간도 장비와 온도, 압력 조건에 따라 차이가 크지만, HPSP는 일반적인 RTA처럼 수 초 내에 끝나는 공정이라기보다 챔버 승압·안정화·냉각 시간을 포함해 수십 분 수준으로 진행되는 경우가 많습니다. HKMG에서 수소 어닐링의 가장 큰 역할은 결함 패시베이션입니다. 대표적으로 High-k 내부의 산소 공공(Oxygen Vacancy), High-k/SiO₂ 또는 High-k/Metal 계면의 Dangling Bond 등을 수소가 안정화시켜 Dit 감소, Vth 안정화, BTI 개선, Gate Leakage 감소 등에 기여합니다. 이외에도 금속 게이트의 Work Function 안정화나 계면 전하 특성 개선에도 긍정적인 영향을 주는 것으로 알려져 있습니다. Deuterium(D₂)이 H₂보다 효과적인 이유는 단순히 같은 수소가 아니라 질량이 약 2배 크기 때문입니다. 질량이 증가하면 진동수가 낮아지고 Si-D 또는 O-D 결합의 Zero-point Energy가 Si-H, O-H보다 낮아져 결합이 더 안정해집니다. 따라서 열이나 전계 스트레스가 가해져도 결합이 끊어질 확률이 감소하며, 그 결과 Hot Carrier Injection(HCI), NBTI/PBTI와 같은 신뢰성 열화가 줄어드는 효과가 있습니다. 즉 초기 전기적 특성 차이보다는 장기 신뢰성에서 차이가 크게 나타나는 것이 핵심입니다. 결론적으로 H₂는 결함을 패시베이션하는 역할을 하고, D₂는 동일한 역할을 더 오래 유지할 수 있도록 결합 안정성을 높여 신뢰성을 향상시키는 데 장점이 있다고 이해하시면 됩니다.

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• P

  PRO액티브현대트랜시스

  코전무 ∙ 채택률 100%

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  고압수소어닐링에 관심이 있으시다면 공정 순서를 함께 이해하는 것이 중요합니다. 결론부터 말씀드리면 일반적으로 High K와 Metal Gate를 각각 형성한 뒤 마지막에 HKMG 스택 전체를 대상으로 고압수소어닐링을 수행하는 경우가 많습니다. 즉 High K만 어닐링하고 이후 Metal Gate를 형성하는 방식보다는 High K 증착과 Metal Gate 형성이 완료된 이후 최종적으로 계면과 벌크 결함을 동시에 개선하는 목적의 공정으로 적용됩니다. 다만 적용 시점은 Gate First인지 Gate Last인지 그리고 회사의 공정 플로우에 따라 일부 차이가 있을 수 있습니다. HPSP 장비를 사용하는 이유는 수소가 High K와 실리콘 계면에 존재하는 산소 공공이나 Dangling Bond를 효과적으로 패시베이션하기 때문입니다. 이 과정을 통해 계면 트랩 밀도와 벌크 트랩이 감소하고 문턱전압 안정성 이동도 BTI 특성 TDDB 특성 등이 개선됩니다. 일반적인 공정 시간은 장비와 레시피에 따라 다르지만 수십 분 정도 유지하는 경우가 많으며 가열과 냉각까지 포함하면 한 시간 내외가 되는 경우도 있습니다. 온도는 대체로 300도에서 500도 정도 범위에서 운용되며 압력은 일반적인 Forming Gas Anneal보다 훨씬 높은 수십 기압 수준을 사용하는 것이 특징입니다. HKMG에서 고압수소어닐링은 계면 결함 개선 외에도 여러 목적으로 사용됩니다. 가장 대표적인 것은 Bias Temperature Instability 개선입니다. 특히 PMOS의 Negative BTI와 NMOS의 Positive BTI 특성을 향상시키는 데 중요한 역할을 합니다. 또한 Gate Leakage 감소 유전막 신뢰성 향상 Threshold Voltage 안정화 소자 간 특성 편차 감소 Random Telegraph Noise 감소 TDDB 수명 향상에도 효과가 있습니다. 최근에는 미세공정으로 갈수록 계면 결함 하나가 소자 특성에 미치는 영향이 커지기 때문에 이러한 신뢰성 개선 효과가 더욱 중요해지고 있습니다. Deuterium은 수소와 화학적 성질은 거의 같지만 질량이 약 두 배라는 점이 가장 큰 차이입니다. 이 질량 차이가 물리적인 특성을 바꿉니다. 실리콘과 결합하면 Si H 결합보다 Si D 결합의 진동 주파수가 낮아지고 결합 에너지가 더 커집니다. 따라서 전계나 열 스트레스를 받아도 결합이 쉽게 끊어지지 않습니다. BTI나 Hot Carrier Injection 현상에서는 결국 Si H 결합이 끊어지면서 Dangling Bond가 생성되는데 Deuterium을 사용하면 Si D 결합이 더 안정적이어서 결함 생성 속도가 느려지고 장기 신뢰성이 크게 향상됩니다. 이것은 동위원소 효과라고 불리는 현상이며 질량 증가로 인해 영점 진동 에너지가 감소하고 결합 해리에 필요한 에너지가 증가하기 때문에 나타납니다. 그래서 최신 반도체에서는 일반 수소 대신 Deuterium Anneal이나 Deuterium Passivation을 적용하는 연구와 일부 양산 공정이 진행되고 있습니다. 제조 비용은 더 높지만 장기 신뢰성이 중요한 로직 소자나 첨단 공정에서는 충분한 가치가 있기 때문입니다. 따라서 HPSP의 핵심은 단순히 수소를 넣는 것이 아니라 고압 환경에서 수소나 Deuterium이 High K와 실리콘 계면 내부까지 깊숙이 확산하여 결함을 패시베이션하고 소자의 전기적 특성과 장기 신뢰성을 동시에 향상시키는 데 있다고 이해하시면 됩니다.

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