반도체에서 핀홀 결함은 왜 생길까 :: why the pinhole defects are created in semiconductor

안녕하세요

오늘은 pinhole defects에 대해 알아보려고 합니다. 제가 찾아본 논문은 The influence of surface defects on the pinhole formation in silicide thin film 와 researchgate사이트(지식인같은곳) 입니다.

먼저 핀홀 defects가 어떻게 생겼는지 한 번 보여드릴게요.

핀홀을 보시면 기판(substrate)으로부터 쭉 올라와 suface까지 뚫려있는 구멍모양인데요. 이 구멍은 마치 골프장에서 공넣는 핀홀같이 생겨서 pinhole이라는 이름이 붙은 것 같습니다. deposition과정은 언제나 smoothe(평탄)하고 roughness 없게 film을 까는 것이 중요합니다. 그러나 이 pinhole은 구멍을 만들고 평탄하지않게 만들기에 defect로 여겨집니다.

핀홀은 주로 deposition공정을 할 때 생기는데, 아직 원인은 불명확하다고 합니다.

생기는 상황은 주로 substrate 위에 불순물(residue), 먼저 있던 물질들이 있을 때 생기게 됩니다. 저희는 substrate위에 얇은 film을 도포하려고 하는데 불순물이 substrate에 하나씩 있다면 그 부분은 deposition이 안될 것입니다.

그대로 가만히 있으면 모르겠는데 이 물질이 deposition을 하는동안 film을 뚫고 surface로 나오려는 성질 때문에 길쭉한 핀홀이 생기게 됩니다. 물질이 뚫고 나오려는 이유는 뚫고 나오면 surface energy와 interface energy가 감소하기때문이라고 설명하고 있습니다. 

한가지의 추측으로는 'film을 deposition하는 동안 확산하기 매우 쉬운 diffusion channel이 생겨서 rapid thermal process동안 물질이 그 채널을 따라 mass transport하게 한다'가 있습니다. diffusion channel을 알기쉽게 설명하자면 사람들이 모인 인파로 설명 가능합니다.

사람들이 모인 인파에서는 아무리 사람들이 밀집해있어도 결국 지나갈 수 있는 틈이 있기 마련인데 이는 원자배열도 마찬가지입니다. 원자 배열에서 원자가 모든 틈을 메꾸며 배열되기는 힘들기에 결국 원자가 지나가기 쉬운 틈이 생깁니다. 이 틈을 통해 확산하기 쉽기 때문에 diffusion channel이라 합니다. 이 틈을 만약 원자가 지나가게될 경우 지나가면서 부딪히는 원자들을 밀치게 되고 그 상태가 유지되면 핀홀이 됩니다.

pinhole defect는 길쭉한 틈을 만들어내기때문에 소자 작동에 예상치못한 변수들을 일으키게 됩니다. 그래서 많은 공정들이 이 핀홀을 줄이려고 하고 ALD(atomic layer deposition)이 하나의 해법으로 여겨지고 있습니다.

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