산화 공정

산화 공정은 소자 형성 시에 꼭 필요한 다양한 용도의 절연막(산화막)을 형성하는 공정이다. 공정 온도별로 산화막 형성 방법을 분류하면 [그림 6-1]과 같이 나타낼 수 있다. 이 중 양극 산화, 스퍼터링(Sputtering) 및 원자층 증착(Atomic Layer Deposition, ALD) 등에 의한 산화막 증착은 300℃ 이하에서 진행되고, 상압 화학 기상 증착(Atmospheric Pressure Chemical Vapor Deposition, AP CVD)이나 플라즈마 증속(Plasma Enhanced, PE) CVD, 저압(Low Pressure, LP) CVD은 400~780℃에서 산화막을 증착시킨다. 마지막으로, 본 단원의 주제인 열 산화막(Thermal oxidation)은 800℃ 이상의 고온에서 진행되는 산화 공정으로, 가장 대표적인 산화 공정 방법이다. 여기서 알아두어야 할 것은 800℃ 이하에서 형성되는 산화막은 ‘증착(Deposition)한다’라 표현하고, 고온의 열 산화막은 ‘성장(Growth)시킨다’라고 표현한다는 것이다. 이는 열 산화막이 단순히 막을 쌓는 것이 아니라 산화 과정에서 실리콘 기판을 소모하면서 성장하기 때문이다.

1 열 산화막 산화 공정

열 산화막 산화 공정은 건식 산화(Dry oxidation)와 습식 산화(Wet oxidation)의 두 가지로 나뉜다. 건식 산화는 실리콘 원자와 산소 원자가 고온에서 반응해 실리콘 산화막(SiO₂)이 성장하는 것이고, 습식 산화는 수증기 상태의 물(H₂O)을 실리콘과 반응시켜 산화막을 성장시키고 반응 부산물로 수소(H₂)를 배출하는 것이다. 산화막의 성장 속도에 있어서는 습식 산화가 건식 산화 대비 5~10배 빠른데, 이는 실리콘 산화막(SiO₂) 내 수증기(H₂O)의 용해도가 산소(O₂)보다 크기 때문이다. 이 내용에 대해서는 뒤에서 좀 더 상세하게 설명하도록 하겠다. 또한 전기적 특성은 습식 산화막 쪽이 더 열악한데, 이는 성장 속도가 빠른 만큼 구조적으로 치밀성이 떨어지고 산화막 내 잔류하는 수소로 인한 문제로 해석된다. 따라서 건식 산화로 생성된 산화막(건식 산화막)은 고품질의 박막 특성이 요구되는 게이트 산화막 등에 적용되고, 습식 산화로 생성된 산화막은 두꺼운 산화막을 빠른 시간 내에 성장시키는 용도로 사용해 왔다. 최근에는 얕은 접합 깊이(Shallow junction) 형성을 위한 열 처리량(Thermal budget)을 줄이기 위해, 게이트 산화막과 같은 고품질의 얇은 산화막에도 습식 산화막을 적용하고 있다. 이때는 막질 향상을 위해 저온 후속 열처리(Annealing) 공정이 추가되기도 한다.

2 열 산화막의 주요 특징

열 산화막의 주요 특징은 다음과 같다. 첫째는 게르마늄(Ge) 반도체나 화합물 반도체 등 다른 반도체에 비해 산화시키기 용이하고, 매우 우수한 산화막 특성을 보인다는 것이다. 즉, 9eV 정도의 높은 에너지 밴드 갭을 갖는 우수한 절연체이고, Si/SiO₂(실리콘/실리콘 산화막) 경계(Interface)의 결함 밀도가 낮아 안정적이며 접착력도 우수하다. 둘째는 실리콘 산화막(SiO₂)이 실리콘에 비해 도펀트(Dopant)에 대한 확산도(Diffusivity)가 낮아 선택적 도핑(Doping) 시 차폐막(Masking layer)으로 사용할 수 있다는 점이다. 마지막 특징은 실리콘(Si)이나 실리콘 질화막(Si₃N₄)에 대한 식각 선택비가 커서, 식각 하드마스크(Hard Mask)로의 적용이 가능하고, 불산(HF) 등을 제외한 거의 모든 화학 약품에 저항성이 높다는 점이다. 이러한 실리콘 산화막의 전기, 물리, 광학적 주요 특성을 실리콘(Si)과 비교하여 [표 6-1]에 도시하였다. 파란색으로 기재한 항목은 중요하니 암기해 두도록 하자.

표 6-1 실리콘 산화막의 주요 특성

3 열 산화막의 구조

[그림 6-2(a)]와 같이 실리콘 산화막(SiO₂)의 기본 분자 구조는 실리콘(Si) 원자가 중심에 위치하고 4개의 산소(O)가 정사면체 꼭지점에 위치하는 4면체(Tetrahedral) 구조이다. 이때 산소 원자는 2개의 실리콘 원자와 결합하고 있으며, 결합하지 못한 경우에는 산화막 질에 악영향을 줄 수 있다. 한편, 동일한 화학식(SiO₂)의 석영(Quartz)은 단결정이지만, 열 산화막은 비정질(Amorphous)이다. 열 산화막에서 산소 원자 간 거리는 약 3Å 정도이다.

4 열 산화막의 응용

다음은 열 산화막의 응용에 대해 알아보자. 열 산화막은 [그림 6-3]과 같이 300nm 이상의 두꺼운 산화막을 만들어, 선택적 도핑(Doping)을 위한 차폐막(Masking layer) 용도로 사용되거나 소자 격리 기술의 하나인 LOCOS(LOCal Oxidation of Silicon) 공정의 필드 산화막(Field oxide) 용도로 사용되었다. 하지만 이는 이온 주입 공정 및 새로운 소자 격리 기술인 얕은 트렌치 소자 격리 기술(Shallow Trench Isolation, STI)의 도입으로 더 이상 쓰이지 않게 되었고, 포토레지스트 또는 CVD 절연막 등으로 대체되어 사용되고 있다. 그 대신 열 산화막은 주로 20nm 이하의 얇은 표면 보호막(Surface passivation) 및 게이트 산화막의 용도로 사용 중이다.

다음은 표면 보호막으로 쓰이는 산화막의 예이다.

열 산화막의 가장 중요한 응용처는 MOSFET의 게이트 절연막이다. 이러한 게이트 산화막은 소자 축소가 진행됨에 따라 산화막 두께가 감소하여 누설 전류가 발생하므로 이를 개선하기 위해 실리콘 산화막(SiO₂)에서 SiON을 거쳐 최근에는 고 유전율(High-k)막으로 발전되어 왔다. 좀 더 상세한 설명은 본 서의 MOSFET 단원을 참조하기 바란다.

5 열 산화막 장비(Furnace, 확산로)

이번에는 확산 공정에 사용되는 확산로(Furnace)에 대해 알아보자. [그림 6-5(a)]는 과거에 주로 사용되었으며, 현재는 소구경 웨이퍼나 일부 소규모 업체에서 사용 중인 수평형 확산로(Horizontal furnace)이다. [그림 6-5(b)]는 수평형 확산로의 문제점을 개선해 최근 대부분의 업체가 사용 중인 수직형 확산로(Vertical furnace)이다.

확산로는 각 공정별 특성에 따른 차이점은 있지만, 산화 공정만이 아니라 확산(Diffusion), LPCVD공정 등에도 적용되는 장비이다. 두 장비 모두 온도, 가스, 웨이퍼 이송, 배기 장치의 4가지 공급 및 제어 시스템을 갖추고 있으며, 열전대(Thermocouple)에 의한 온도 감지(Monitoring) 및 제어 시스템(Control system)도 갖추고 있다. 확산로 내의 반응로(Tube)가 가열되는 원리는, 웨이퍼가 장착(Loading)되는 반응로 외부를 히터가 감싸 전체 반응로를 가열하는 고온 벽(Hot-wall) 방식이다.

웨이퍼는 웨이퍼 간 균일도를 보장하기 위해 온도 제어가 양호한 중앙부(Flat Zone)에 장착돼 진행되고, 그 외의 부분에는 더미(Dummy) 웨이퍼² 등을 채워, 온도 불균일 및 가스 흐름에 지장이 없도록 하고 있다. 또한 확산로에 주입되는 가스는 기본적으로 산화 공정을 위한 산소(O₂), 수소(H₂) 및 질소(N₂)이고, 이 외에 중금속 게더링(Gettering)을 위한 염산(HCl) 또는 트리클로로에테인(TriChloroethAne, TCA) 등이 주입된다. 건식 산화에서는 산소를 주입하여 산화를 진행하지만, 습식 산화는 물을 버블러(Bubbler)로부터 증발시켜 산화를 진행하거나, 또는 외부 토치(Torch)를 통해 직접 수소 및 산소(H₂/O₂)를 연소시켜 수증기를 형성하는 발열 시스템(Pyrogenic system) 방법을 이용한다.

더미 웨이퍼²: 실질적으로 사용하는 웨이퍼의 양쪽에 있는 희생용 웨이퍼

6 열 산화막 성장 원리

열 산화막 성장 원리는 1960년대 미국 Fairchild라는 반도체 회사의 엔지니어였던 Deal과 Grove가 제안한 모델을 따르며, 이 모델을 Deal-Grove 모델(D-G model)이라고 한다. D-G model에 따르면, 고온의 확산로에서 산소 가스 주입에 따른 열 산화막의 성장 과정을 [그림 6-6]과 같이 도시할 수 있다.

[그림 6-6]의 맨 왼쪽 영역은 산소 가스 분위기를 나타내고, 중간 영역은 이미 성장된 실리콘 산화막(SiO₂)을, 맨 오른쪽 영역은 실리콘 웨이퍼를 나타낸다. 맨 왼쪽 영역의 C_G는 벌크(Bulk) 가스 내의 산소의 농도를, C_S는 산화막 표면에서 산소의 농도를 가리키는데, 산화막 표면에 가까워질수록 산소의 농도가 약간 감소하는 모습을 보인다. 이는 박막 공정 단원에서 설명한 경계층(Boundary layer)의 존재 및 실리콘 산화막 내로의 산소 공급으로 인한 결과이다. 이 농도 차이로 인해 산화제(Oxidant), 즉 산소가 산화막 표면으로 확산해 이동하게 된다. 이때 산소는 특정 온도에서의 용해도만큼만 산화막 내에 최대로 녹아 들어갈 수 있으며, 녹아 들어가는 양은 헨리의 법칙(Henry’s law)⁴에 의해 산소 가스의 분압(P_G)⁵에 비례한다. 다시 얘기해서 산소 가스의 압력이 높아지면 많이 녹아 들어간다는 것이다. 따라서 산소 가스가 100% 모두 고체 내로 녹아 들어가는 건 아니므로, 고체 산화막 표면의 산소 농도(C_O)는 당연히 기체 상태의 농도(C_S)보다 낮다. 한편, 실리콘 산화막과 실리콘(SiO₂/Si) 계면에서 산소의 농도는 C_i로 나타내는 데, 실리콘 산화막과 실리콘(SiO₂/Si) 계면에서는 산소가 실리콘과 반응하여 C_i로 농도가 낮아지고 자연스럽게 산화막 내에서 농도 구배(C_O - C_i)가 생긴다. 이로 인해 고체 상태인 실리콘 산화막 내에서도 확산에 의한 산소의 이동이 일어나고, 이동한 산소는 실리콘 산화막과 실리콘(SiO₂/Si) 계면에서 실리콘과 화학 반응을 일으켜 실리콘 산화막을 생성하게 된다.

헨리의 법칙⁴: 액체 상태의 용매에 녹는 기체의 용해도에 관한 법칙으로, 일정한 온도에서 일정 부피의 액체 용매에 녹는 기체의 질량, 즉 용해도는 용매와 평형을 이루고 있는 그 기체의 부분 압력에 비례한다는 법칙

분압⁵: 서로 화학 반응을 하지 않는 여러 종류의 기체가 혼합되어 있는 혼합 기체 안에서 개별 기체에 의해 가해지는 압력이며, 부분압 혹은 분압이라고도 함.

다음은 이러한 확산 및 화학 반응에 의한 산화제(Oxidant)의 이동을 유속(Flux)의 개념을 이용해 정의해보고, 이로부터 우리의 목표인 ‘산화 시간에 따른 산화막의 두께 변화’를 알아보도록 하자. 먼저 유속(Flux)은 단위 시간 동안 단위 면적을 지나는 입자의 개수로 정의되며, 단위는 [입자수/sec·cm²]이다. [그림 6-6]에서 맨 왼쪽 영역의 F0는 기체 상태에서 산소의 확산 유속(Flux)을 나타내며, Fick의 제1 법칙⁶이 적용되어 산소 가스의 농도 차이(C_G - C_S)에 비례한다. 이때의 비례 상수를 질량 전달 계수(Mass transfer coefficient, h_G)라고 한다. 중간 영역의 F₁은 고체 상태에서 산소의 확산 유속이므로 역시 Fick의 제1 법칙을 적용해 농도 기울기에 확산 계수(Diffusion Constant, D)를 비례상수로 한 식으로 나타낼 수 있다. 마지막으로 맨 오른쪽 영역의 F₂는 실리콘 산화막과 실리콘(SiO₂/Si) 경계면에 도달한 산소가 화학 반응에 의해 소모되는 속도를 가리킨다. 화학 반응으로 산소가 소모되는 속도는 실리콘과 산소의 농도에 비례하며, 이때 비례상수는 화학 반응 속도 상수(Chemical reaction rate constant, k_S)이다. 그런데, F₂ 영역 식에서 산소의 농도(C_i)만 고려하고 실리콘의 농도를 무시하는 이유는 무엇일까? 이는 실리콘의 양이 산소에 비해 무한대에 가까워 거의 일정하게 취급할 수 있고, 활성도(Activity)가 1이기 때문이다.

Fick의 제1 법칙(Fick's first law)⁶: 농도 변화에 관한 두 가지 법칙 중 하나로, 정상 상태 조건하에서 단위 면적당 확산되는 물질의 유속은 농도 기울기에 비례한다는 것을 나타냄.

표 6-2 산화제의 유속

각 영역에서의 유속 F₀, F₁, F₂는 연쇄적인 화학 반응이므로, 시간이 지나 정상 상태(Steady state)가 되면 이 중 가장 속도가 느린 유속(Flux)에 맞춰 속도가 동일해진다. 그런데, 우리의 주 관심사는 ‘고체 상태에서 산화막의 성장 거동’이므로, 산소 가스가 무한히 공급된다는 가정하에 가스 상태에서의 산소의 이동(F₀)을 무시하고 F = F₁ = F₂로 단순화시켜 보자. 그 결과 F는 다음 식으로 나타낼 수 있으며 이렇게 구한 산화제의 유속을 산화에 참여하는 산화제(O₂ 또는 H₂O)의 농도로 나눠주면, 산화막 성장 속도(dx/dt)를 구할 수 있다.

\text{F} = D \cdot C_0 / \left[( x + {D}/{k_S} \right)]

\frac{dx}{dt} = \frac{\text{F}}{N} = \frac{D C_0 / N}{x + \left( {D}/{k_S} \right)}

여기서 N은 단위 체적의 산화막을 얻기 위해 필요한 산화제(O₂ 또는 H₂O)의 분자 수로서, 건식 산화의 경우는 산소 한 분자로 SiO2 한 분자를 만들 수 있으므로 SiO₂ 1cm³를 만들기 위해서는 2.2 × 10²²/cm³개의 산소 분자가 필요하다. 반면 습식 산화는 SiO₂ 한 분자를 만들기 위해 2개의 H₂O 분자가 필요⁷하므로, 산소의 2배인 4.4 × 10²²/cm³개의 분자가 필요하다. 한편, 위에서 구한 식을 적분하여 정리하면 다음과 같은 2차 방정식으로 표현할 수 있으며, 여기서 τ는 초기 산화막 두께를 말한다.

\int_{d_0}^{x} \left( x + \frac{D}{k_s} \right) dx = \left( \frac{D C_0}{N} \right) \int_{0}^{t} dt

※ 경계조건: x = d₀(초기 산화막 두께) @t = 0

\boxed{x^2 + \frac{2D}{k_s}x = \frac{2D C_0}{N}(t + \tau)}\qquad\tau = \left(d_0^2 + \frac{2D d_0}{k_s}\right)\frac{N}{2D C_0}

위에서 구한 2차 방정식을 A와 B라는 상수를 정의하여 정리하면 아래 좌측과 같이 좀 더 단순화할 수 있다.

단순화한 2차 방정식을 근의 공식을 이용해 풀면 우측의 해를 얻을 수 있다. 산화 시간도 매우 초기이고 초기 산화막도 거의 없는 상태(t + τ « A²/AB)의 경우, 식의 제곱근((1 + a)^\frac{1}{2}) 안에 있는 a가 매우 작아, 테일러(Taylor) 급수 단순화 공식이 적용되어 1 + 1/2·a가 되고 x = B/A·(t + τ)가 된다. 즉, t가 매우 작은 산화 초기에 산화막 두께는 시간에 따라 선형적으로 성장하고, 실리콘과 실리콘 산화막(Si/SiO₂) 계면에서의 표면 화학 반응(k_s)에 의해 결정된다는 것이다. 이는 전체 산화 과정 중 실리콘 표면에서의 화학 반응 속도가 전체 산화 속도를 제어한다는 의미가 되어, 이 영역을 표면 반응 제어 영역(Surface reaction controlled regime)이라고 한다. 확산 계수(D)와는 무관하게 화학 반응 속도 상수(k_S)에만 비례하는 B/A는 이 1차 방정식의 기울기가 되므로 B/A를 선형 속도 상수(Linear rate constant)라고 부르게 되었다. 반대로 산화 시간도 길고 초기 산화막도 두꺼운 상태(t + τ « A²/AB)의 경우, 식의 제곱근 안에 있는 1이나 밖의 1이 모두 무시될 수 있어 x = [B(t + τ)]^\frac{1}{2} 이 된다. 즉, 시간에 따라 산화막 두께가 포물선 형태로 느리게 성장하며, 산소가 두껍게 성장한 상태의 실리콘 산화막(SiO₂)을 뚫고 실리콘과 실리콘 산화막(Si/SiO2) 계면까지 확산해 도달하는 것이 어렵다는 것을 의미한다. 이 영역은 비례 상수 B(= 2D·C_O/N)가 확산 계수(Diffusivity,D)에 의존하고 산화막을 통한 산소의 확산이 얼마나 빨리 일어나느냐에 따라 전체 산화 과정의 속도가 결정되므로 확산 제어 영역(Diffusion controlled regime)이라고 불린다. 또한, 이 식의 상수 B는 포물선 속도 상수(Parabolic rate constant)라고 부르게 되었다. 이상의 내용을 하나의 그래프로 정리하면 [그림 6-7]과 같이 초기에는 선형적으로 증가하다가 시간이 흐른 후 포물선형으로 성장 속도가 느려짐을 알 수 있다.

Si + 2H₂O  SiO₂ + 2H₂의 반응식으로 반응이 일어남.⁷

7 열 산화막 성장 시 실리콘 소모량

실리콘 산화막은 실리콘을 소모하면서 성장한다고 하였다. 그렇다면 예를 들어 100nm의 산화막을 성장시킬 때에는 실리콘이 어느 정도나 소모되는지 알아보자. [그림 6-8]과 같이 전체 실리콘 산화막(SiO₂)의 두께를 d'라 하고, 소모된 실리콘의 두께를 d라 하자. 여기서 실리콘과 실리콘 산화막의 물리량인 원자(분자) 밀도와 원자량(분자량)을 알아야 하며, [표 6-3]에 이를 도시하였다. d와 d'의 관계는 소모되는 실리콘의 몰수(Mol)와 SiO₂의 몰수 관계로부터 간단하게 도출할 수 있다. 먼저 몰수는 면적 A에 밀도와 부피를 곱한 값인 질량(Mass)을 곱하고, 이 값을 실리콘 원자량 또는 SiO₂ 분자량으로 나누어 구한다. 1몰의 실리콘이 산화되면 1몰의 SiO2를 생성하므로 두 몰수를 같게 두어 d와 d'을 구하면 되는데, 계산 결과 총 100nm의 산화막을 성장시켰을 경우 실리콘 45.5nm가 소모된다는 것을 알아낼 수 있다.

표 6-3 Si와 SiO2의 물리량

\text{Si의 몰수 }\left(\dfrac{\rho_{\text{Si}}(d\cdot A)}{Z_{\text{Si}}}\right)=\text{SiO}_2\text{의 몰수 }\left(\dfrac{\rho_{\text{SiO}_2}(d'\cdot A)}{Z_{\text{SiO}_2}}\right)\Rightarrow\dfrac{d}{d'}=0.455

9 열 산화막 품질(Quality)

(1) 산화막 내 전하(Charge)

산화막 내에서 또는 Si/SiO2 계면에서 발생되는 전하는 소자의 동작에 악영향을 미친다. 이러한 전하에는 크게 [그림 6-12]와 같이 산화물 고정 전하(Fixed oxide charge,Q_f), 계면 포획 전하(Interface trapped charge, Q_it), 유동성 이온 전하(Mobile ionic charge, Q_m), 산화막 포획 전하(Oxide trapped charge,Q_ot) 등 4가지 종류가 있다. 이들은 본 서의 MOS 커패시터 단원에서 문턱 전압을 구성하는 요소로 설명한 바 있다.

① 산화물 고정 전하(Fixed oxide charge, Q_f)

산화물 고정 전하는 완전히 산화에 참여하지 못한 잉여 실리콘으로 실리콘 과잉(Si -rich) 상태가 되어 발생한다. 주로 산화 완료 후 냉각(Cooling) 시 또는 저온 산화에서 산화막(SiO₂) 형성에 필요한 활성화 에너지(E_a)를 충분히 얻지 못할 때 발생한다. 양전하를 띤 이 전하는 Si/SiO₂ 계면으로부터 20~30Å 되는 위치에서 움직임 없이 고정되어 있다. 밀도는 대부분의 전하들과 유사하게 10¹⁰~10¹²/cm³수준이다. 산화물 고정 전하는 결정 구조에 따른 의존성도 보인다. 즉, (111)면의 실리콘 원자 밀도는 (100)면 대비 높기 때문에, 그만큼 과잉 실리콘 상태가 될 가능성이 많고 산화물 고정 전하의 발생 확률이 높아진다. 이는 대부분의 반도체 업체가 (100) 웨이퍼를 선호하게 된 이유 중의 하나이다.

② 계면 포획 전하(Interface trapped charge, Q_it)

계면 포획 전하는 Si/SiO₂ 계면에서 산소와 결합하지 못한 불포화 결합(Dangling bond)에 의해 발생된다. 에너지 밴드로 해석하면 이 전하는 실리콘의 금지대역 내에 존재한다. 양 또는 음전하, 중성의 모든 전하 상태를 가질 수 있으며, 캐리어의 포획 사이트(Trap site, D_it)로 작용해 정공이나 전자를 포획하므로 소자 동작 특성에 악영향을 줄 수 있다. 산화물 고정 전하와 마찬가지로 (111)면에서는 (100)면에 비해 실리콘 원자 밀도가 높으므로, 불포화 결합이 많아 계면 포획 전하의 발생 가능성이 높아지게 된다. 이러한 계면 포획 전하는 배선 공정 후 수소(H₂) 아닐링을 진행하거나 소결(Sintering)⁸ 시에 수소(H₂)에 의해 계면의 불포화 결합을 피복(Passivation)해 줌으로써 회복할 수 있다.

소결⁸: 분말 또는 압분 입자(歷粉粒子)를 가열하여 결합시키는 것

③ 유동성 이온 전하(Mobile ionic charge, Q_m)

초기 MOSFET이 발명되고도 한참을 사용하지 못하게 만든 장본인이 바로 이 유동성 이온 전하(Mobile ionic charge)이다. 지금의 청정실(Clean room)은 높은 수준의 청정도로 유지되고 있으므로 더 이상 문제가 되지 않는 전하이기도 하다. 이 전하는 나트륨(Na)이나 칼륨(K) 등의 알칼리 이온의 오염으로 발생하며, 산화막 어디에든 존재할 수 있다. 유동성 이온 전하는 100℃ 이상 또는 높은 전계에서 산화막 내부를 이동하며 소자의 특성 저하를 가져온다. 회복 방법으로는 게더링(Gettering) 방법이 있는데 HCl 계열의 할로겐 원소를 금속 이온과 반응시켜 유동성을 잃게 만드는 것이다.

④ 산화막 포획 전하(Oxide trapped charge, Q_ot)

산화막 포획 전하는 산화막(SiO₂) 내부의 불완전한 결합으로 인해 결합이 깨지면서 발생한다. 주로 이온 주입 및 플라즈마 식각 등의 고 에너지를 가진 전자 충격이 원인이며, 소자 동작 시 열 전자 주입(Hot carrier injection)에 의한 전자 포획 사이트(Electron trap site) 및 FN 터널링(Tunneling)을 일으킬 수 있다. 산화막 포획 전하는 산화막 어디에든 존재할 수 있고, O-Si-O가 아닌 Si-O, Si-Si, Si-H, SiOH 등의 이상 결합 상태를 보인다. 벌크 산화막 내에서 포획된 정공 또는 전자에 따라 양 또는 음의 전하를 띨 수가 있다. 이러한 산화막 포획 전하를 개선하기 위해서는 배선 공정 후 수소(H₂) 아닐링을 진행하거나 방사(Radiation)에 내성이 있는 SiN 등의 층을 적용하는 방법을 사용한다.

(2) 게이트 산화막 누설 전류

이상적인 산화막(SiO₂)이라면 절연체이므로 전류가 통해서는 안 되지만, 소자가 축소됨에 따라 게이트 산화막 두께가 점점 얇아지고 산화막에 걸리는 전계도 증가하게 되면서 이러한 이상적인 경우에서 어긋나게 되었다. 먼저, 상대적으로 두꺼운 게이트 산화막의 경우에는 게이트 산화막 양단의 전계가 세지게 되면, [그림 6-13(a)]와 같이 산화막 내의 에너지 밴드가 휘게 된다. 그 결과, 원래는 전자가 ϕ_b만큼의 에너지 장벽을 넘어 실리콘의 전도대역(E_c)으로 이동을 해야만 전류가 흐르지만, 전계에 의한 에너지 밴드의 휨으로 생긴 얇은 삼각형(Triangular) 지역을 뚫고 이동하는 터널링 현상이 일어나기도 한다. 이를 Fowler-Nordheim이란 사람들이 발견했다 하여, FN 터널링이라 칭한다. [그림 6-13(a)]의 FN 터널링의 전류 식으로부터 누설전류(E_ox)에 지수 함수적으로 증가함을 알 수 있다.

이 외에 또 다른 전도는 [그림 6-13(b)]의 직접 터널링(Direct tunneling)으로 발생한다. 직접 터널링이란 상대적으로 얇은 30Å 이하의 게이트 산화막에서 낮은 전계 조건에서도 전자가 직접적으로 터널링하여 실리콘의 전도대역(E_c)으로 이동하는 현상이다. 이러한 게이트 산화막 누설 전류는 대기 상태에서의 전력 소모 문제를 야기하고, 이에 대한 대책으로 나온 것이 바로 ‘고 유전율(High-k) 게이트 산화막’ 이다.