열산화

열산화법

열산화(熱酸化, Thermal oxidation)는 주로 반도체 제조 공정에서 실리콘 웨이퍼 표면에 산화층을 형성하기 위해 사용되는 중요한 프로세스이다. 열산화는 실리콘 표면에 절연층을 만들거나, 다음 단계에서 불순물 확산을 제어하는 데 필수적인 역할을 한다.

개요

열산화는 고온에서 산소 또는 수증기를 사용해 실리콘 웨이퍼의 표면에 산화규소(SiO₂) 층을 형성하는 공정이다. 이 과정은 전자기기의 절연층이나 트랜지스터의 게이트 산화막 형성에 필수적이다. 산화막의 두께는 공정 조건에 따라 제어할 수 있으며, 반도체 소자의 성능과 신뢰성에 직접적인 영향을 미친다.

산화 공정은 흔히 말하는 반도체 8대 공정에서 두 번째 공정으로 꼽히는 단계이다. MOSFET의 구조에서 게이트와 기판 사이에 절연 물질(SiO2;이산화규소)을 생성하는 산화 공정은 소자의 성능과 신뢰성에 중요한 영향을 미친다. 고순도의 SiO2를 생성하지 못한다면 원하지 않는 Charge가 발생해 절연 효과가 떨어질 뿐만 아니라, 항복 전압(Breakdown Field)도 낮아진다. 게이트 아래의 절연 목적 외에도 SiO2 생성은 반도체 전반에 걸쳐서 표면 보호 등등 몇 차례 더 필요한 필수적인 과정이다.

보통 산화막 형성에는 열산화, 전기 화학적 양극 처리, 플라즈마 보강 화학 기상 증착(PECVD) 등 여러 가지 방법이 있지만, 고온의 환경에서 웨이퍼에 산화막을 형성하는 열산화가 가장 보편적인 방법이다. 간단하게 말하면 실리콘 자체에 산소를 공급하여 실리콘과 산소의 화학적 결합으로 일부분을 절연 물질로 변화시키는 방법이다. 열 산화는 다른 기본 반도체 공정, 예를 들어 PVD, CVD, 메탈 공정 등에 비하여 매우 높은 온도(800~1200도)에서 이루어진다.

열 산화 공정의 특징

1. 노광(리소그래피 ; Lithography) 공정에 의하여 쉽게 에치된다. (보통 HF로 에칭)
2. 매우 뛰어난 절연 효과를 얻는다. (저항:10^16승 Ωcm 이상 / 에너지 갭 : ~9eV)
3. 높은 항복 전압을 갖는다. (10^7 Vcm^-1)
4. 안정적인 전기적 특성을 보인다. (순수한 Si와 O2의 결합)
5. 실리콘과의 인터페이스에서 높은 안정성과 재현성(동일한 방법으로 측정자, 장소, 시간 등을 유사하게 해서 측정하였을 때 일치하는 정도)을 가진다.
6. 일반 상온에서도 친수성(Native Oxide)을 갖는다.

열산화 공정 과정

아래의 그림은 열 산화 공정의 기계적 구조를 대략적으로 나타낸 것이다.

열산화 공정의 기계적 구조

오른쪽에서 넣어주는 기체를 보면 산소 외에 수소, 질소 등이 있는데, 고품질의 산화물 생성을 가능하게 만들어준다. 웨이퍼는 석영(Quartz) 그릇 내에서 공정이 진행된다. 왼쪽의 챔버안에 빗처럼 나열되어 있는 것들이 웨이퍼다. 이렇게 한 번에 여러 장의 웨이퍼를 작업할 수 있다. 석영의 녹는점은 대략 1400도 정도이다.

열산화 공정의 방식

습식산화와 건식산화의 비교

열산화 방법은 건식(Dry)산화와 습식(Wet)산화로 나뉘게 된다. 건식산화는 산소만을 이용해 얇은 막을 형성할 때 주로 쓰이고, 습식산화는 산소와 수증기를 모두 사용하기 때문에 보다 두꺼운 막을 형성할 때 사용된다.

건식산화는 매우 좋은 전기적 특성을 가진 산화물을 성장할 수 있지만, 동일한 온도를 적용 했을 때, 같은 두께의 산화물을 형성하는데 습식산화 보다 훨씬 더 많은 시간을 필요로 한다. 같은 온도와 시간에서 습식산화를 사용하여 얻어진 산화막은 건식산화를 사용한 것보다 약 5~10배 정도 더 두껍다.

건식 산화(Dry Oxidation)

건식산화는 순수한 산소(O₂)만을 이용하기 때문에 산화막 성장속도가 느려 주로 얇은 막을 형성할 때 쓰인다. 성장속도가 느릴 때 얇은 막을 형성하기 유리한 까닭은, 성장속도가 느릴수록 막의 두께를 조정(Control)하기 쉽기 때문이다. 쉽게 생각하면, 내가 세숫대야에 물을 아주 조금만 채우고 싶을 때, 수도꼭지를 한번에 많이 열어 콸콸 붓기보다, 아주 조금만 열어 조금씩 떨어지게 하는 상황을 생각하면 쉽게 이해가 될 것이다. 이렇게 얇은 막을 형성할 수 있는 건식 산화는 전기적 특성이 좋은 산화물을 만들 수 있다.

습식 산화(Wet Oxidation)

습식산화는 산소(O₂와 함께 수증기(H₂O)를 사용하기 때문에 산화막 성장속도가 빠르고 두꺼운 막을 형성할 수 있지만, 건식 산화에 비해 산화층의 밀도가 낮다. 따라서 산화막의 질이 건식산화에 비해 비교적 안 좋다는 단점이 있다. 동일한 온도와 시간에서 습식산화를 통해 얻어진 산화막은 건식산화를 사용한 것보다 약 5~10배 정도 더 두꺼운 경향을 보인다.

열산화의 주요 용도

절연층 형성

실리콘 웨이퍼와 반도체 소자 사이에 절연층을 형성하여 전기적 절연을 제공한다.

산화 방지막

열산화막은 불순물이 반도체 소자에 침투하는 것을 막아주는 역할을 하며, 이후 공정에서 선택적 부식을 위한 마스크 역할도 한다.

트랜지스터 게이트 산화막

MOSFET 등 트랜지스터 소자의 게이트 절연층으로 사용되며, 전기적 성능과 소자 신뢰성을 좌우한다.

참고자료

• 〈산화 공정〉, 《나무위키》
• SK하이닉스, 〈<반도체 공정> 반도체? 이 정도는 알고 가야지 : (2) 산화(Oxidation) 공정〉, 《티스토리》, 2017-08-01
• 〈반도체 8대 공정 2탄. 웨이퍼 표면을 보호하는 산화공정(Oxidation)〉, 《삼성뉴스룸》, 2012-08-23
• 엔지니어권, 〈<반도체 8대 공정> 2. 산화공정 (Oxidation)〉, 《네이버 블로그》, 2019-08-29
• 장선비, 〈<반도체 8대 공정> 산화(Oxidation) 공정 : 보호층 및 절연체를 만드는 과정〉, 《네이버 블로그》, 2018-05-01
• 미적거림, 〈산업분석 - 반도체(산화공정)〉, 《네이버 블로그》, 2024-09-10
• 공, 〈<반도체공정> 열 산화 공정(Thermal Oxidation ; 써멀 옥시데이션)〉, 《네이버 블로그》, 2018-08-13

같이 보기

• 산화공정
• 산화막
• 산화규소
• 실리콘 웨이퍼

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