[반도체 공정] 2. 산화 공정 (Oxidation)

산화(Oxidation)의 종류

 

산화 공정이란 규소 즉, 실리콘(Si)에 열과 산화제(물, 산소)를 공급하여 이산화 규소인 SiO₂를 제조하는 공정이다.

실리콘을 산화시키는 방법에는 크게 두가지가 있는데,

바로 습식 산화(Wet Oxidation)과 건식 산화(Dry Oxidation)이다.

 

 

습식 산화(Wet Oxidation)는 산화제로 물(H2O)을 (또는 물과 산소 혼합) 사용하며 다음 반응식으로 이루어진다.

 

Si(s) + 2 H2O(g) → SiO2(s)+ 2 H2(g)

 

이 방법은 H2O가 O2 보다 높은 diffusivity와 solubility를 갖고 있기 때문에 산화막이 두껍고 빠른 성장이 가능하지만(fast growth) 그만큼 산화막의 밀도가 낮으며(less dense), 품질이 떨어진다(low quality)

 

 

 

건식 산화(Dry Oxidation)는 산화제로 산소(O2)만을 사용하며 다음 반응식으로 이루어진다.

 

Si(s) + O2(g) → SiO2(s)

 

이 방법은 산화막이 얇고 성장이 느리지만 밀도가 높고(more dense) 품질이 좋다(better quality)

 

 

산화 속도는 온도, 압력과 시간, 표면 결함 그리고 결정 구조와 같은 다양한 요인들에 영향을 받는다.

특히 결정구조에서는 (111)구조가 (100)구조보다 결정면에 들어있는 원자수가 많기때문에 더 빠른 속도로 성장이 된다. 

 

 

 

 

산화(Oxidation) 공정

 

크게 산화공정은 다음과 같다.

 

 

 

Wafer Cleaning은 wafer 표면의 유기물, 금속 불순물 등을 제거하는 과정이다. 이 과정에서는 산화막인 SiO₂를 HF로 제거하는 공정이 포함되는데 그 이유는 Si가 대기중에서도 산화되어 품질이 떨어지는 얇은 산화막을 생성하기 때문이다.

 

산화막은 친수성이기 때문에 산화막이 있으면 물의 막이 형성되며, 산화막이 없으면 물의 막이 형성되지 않고 흘러 내리므로 DI water에 넣었다가 꺼내면 산화막 제거 여부를 간단하게 알 수 있다.

 

 

Thermal Oxidation은 Furnace를 이용하여 높은 온도(900-1200°C)에서 wet/dry oxidation을 진행하는 공정이다. 

 

 

이 때 gas가 들어오는 부분과 나가는 부분은 상대적으로 균일성이 떨어진다. 그러므로 전체적인 균일성을 유지하기 위하여 더미기판(Dummy wafer)라는 희생 웨이퍼를 앞뒤에 배치한다.

 

 

마지막은 laser ellipsometer을 이용한 test로, 이렇게 생산된 기판에 laser을 쏴준 후 산화막 표면에서의 반사되어 돌아오는 속도와 실리콘 표면에서 반사되어 돌아오는 속도를 비교하여 산화막의 평균두께를 결정한다.

 

 

산화막(SiO2)의 역할

 

형성된 SiO₂는 반도체 소자 내에서 매우 다양하고 유용한 역할을 수행한다.

 

 

1. 반도체 소자간의 분리 및 절연

 

반도체 소자간의 접촉이나 누전을 막아주는 분리막 역할을 한다. 절연이 좋지 못하면 소자가 고장나거나 오작동하기 때문에 이러한 특성은 매우 중요하다. 더욱이 최근에는 소자의 크기가 점점 작아지고 있기 때문에 얇으면서도 분리/절연효과가 뛰어난 산화막을 형성하는 기술의 중요성이 더욱 커지고 있다.

 

 

2. MOSFET에서 Gate Oxide 

 

Metal-Oxide-Semiconductor 구조를 갖는 MOSFET에서 Gate Insulator로 Oxide(산화막)을 사용한다.

 

 

 

3. Mask Layer

 

이온공정(Ion implantation) 또는 선택적 식각(Selective etching) 등에서 원하는 부분에만 공정이 가능하도록 하는 mask layer의 역할을 한다. 

 

 

 

4. Capacitor에서의 유전체(dielectric)

 

 

산화(Oxidation) vs 증착(Deposition)

 

산화막을 형성하는 방법에는 크게 두가지가 있다. 

 

산화(Oxidation)는 위에서 언급했듯이 높은 온도(900-1200°C)에서 산화제를 이용하는 공정이다. 높은 품질의 산화막을 얻을 수 있다는 장점이 있으며 이 과정에서 Si가 산화제와 결합하여 소모된다. Si가 소모되면서 생성되는 산화막은 산화전 Si의 계면 아래로 45%, 계면 위로 55%의 비율로 형성된다.

 

반면 증착(Deposition)은 Si를 소모하지 않고 비교적 낮은 온도(400°C 이하)에서 직접 SiO2를 증착하기 때문에 계면의 변화가 없고 기판의 제한이 없으나 산화막의 품질이 떨어진다. 이렇게 생성된 산화막은 etching 속도가 빠르다는 특징이 있다.