Oxidation studies of SiGe vs pure-Si 누가 더 산화 속도가 빠를까?

Ge 농도가 높을수록 SiGe의 산화속도는 빨라짐

하지만, Ge는 촉매(Catalyst)로 작용하여 GRL을

만들고 장시간 경과 후엔 산화속도가 느려짐

SiO2/GRL/SiGe

 

반도체는 곧 Silicon, 공정에 있어

Germanium(게르마늄 or 저마늄)은

Si과 같은 족이라 격자상수가 비슷하면서

유의차 있는 특성을 가진 물질로, SiGe

Silicon-Germanium는 아주 중요합니다.

특히나, 차세대 MBCFET에서는..

 

 

무려 1989년 발행된 Oxidation studies of SiGe

논문에 따르면, Ge은 촉매(catalyst)로서 작용하여

pure-Si 대비 약 3배의 속도로 Si+산화물을 만들고

SiO2/SiGe 계면에 축적된다 라고 되어있습니다.

 

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아쉽게도 무료 공개는 아니라 말로 설명하면

XPS(X-ray photoemission) 데이터로 Ge이

산화되지 않고 남아있으며 pure-Si 대비 Si+의

peak intensity가 훨씬 높은 모습을 보여줍니다.

Si(0.95)Ge(0.05)

 

 

조금 더 논문을 찾아보니 무료 공개된 2017년 발행

Oxidation kinetics of Si and SiGe by dry rapid

thermal oxidation, in-situ steam generation

oxidation and dry furnace oxidation을 보면

정답은 바로 나옵니다. Figure 중에

 

위 그래프에서 보듯이, Ge의 농도가 10%, 30%

높아질수록 SiGe의 산화속도는 빨라집니다.

산화물 GeO2가 열적으로 불안정하고 Ge이 안정

Si만 선택적으로 산화되고 Ge는 산화막 아래 농축

 

 

위에선 촉매라고 했는데, 마치 예전 산화환원 시간에

칼카나마알아철니주납수구수은백금 외우면서

철보다 산화가 잘되는 마그네슘을 붙여

산화를 막는, 즉 여기선 Ge이 산화될것 까지

Si가 대신 산화되는 모양새가 거의 똑같지 않나요?

뭐,, GeO2 갔다가 다시 Ge 돌아오니 촉매라 볼수도..? 

 

 

마지막으로 위에서 두 논문 모두에서 언급된

Ge이 SiO2 밑에 농축(pile-up)된다,,는 2015년 논문

Kinetics and Energetics of Ge Condensation

in SiGe Oxidation을 보면 이미지가 잘 나와있습니다.

 

 

Si(0.8)Ge(0.2)가 oxidation되면 Si+

Si만 산화된 SiO2와 SiGe 계면 사이에

GRL(Ge Rich Layer)가 형성됩니다.

가려진 노란색 박스엔, SiGe 농도가 똑같이 표기

되어있는데 글 내용과 Figure 간 혼선이 생길까봐

가렸습니다. 같은 논문, 다른 Figure인 아래가 더 정확..

 

 

위 그림에서 보면 처음 Si(0.8)Ge(0.2)가

장시간 후엔 Si(0.25)Ge(0.75)가 되고,

GRL층은 아예 pure-Ge가 되는 것을 볼 수 있습니다.

그래서 표면을 산화 속도 느린 Ge이 가려버리니

장시간 후엔 Ge농도가 높았던 SiGe의 산화속도가

오히려 느려진다라고는 하는데, 시간이 곧 돈인

반도체 공정에서 그렇게 장시간 control은 할 일이

없긴하죠.. 하지만, 의도적으로 빠르게 산화시켜

GRL을 만들고 이를 활용하는 Ge condensation

기술도 있다고 하니 좀 더 생각해볼 문제인것 같습니다.