건식산화

건식산화(Dry oxidation)와 습식산화.

건식산화(Dry oxidation)는 반도체 산화공정에서 산소 기체를 이용해서 실리콘 표면을 산화하는 과정이다.

화학 반응식으로 표현하면 다음과 같다. ​Si(s)+2H₂O(g) → SiO₂(s)+2H₂(g)

개요

건식산화는 고온에서 반도체 웨이퍼를 산소 환경에 노출시키는 과정으로 이산화규소 산화막을 형성한다. 건조산화는 일반적으로 게이트 이산화막을 제조하는데 사용된다.

반도체 산화공정은 실리콘(Si) 기판 위에 산화제(물(H₂O), 산소(O₂))와 열에너지를 공급하여 이산화규소(SiO₂) 막을 형성하는 공정을 말한다. 이때 만들어지는 산화막은 회로와 회로 사이에 누설 전류가 흐르는 것을 막아줄 뿐만 아니라, 이온주입공정에서 확산 막아주는 역할, 식각 공정에서 엉뚱한 곳이 잘못 식각 되는 것을 막는 식각 방지막 역할을 한다. 이렇게 다양한 종류의 보호막이 되어 웨이퍼를 지켜준다.

산화 공정 방법에는 열을 통한 열산화(Thermal Oxidation), 화학적기상증착산화(Chemical Vapor Deposition), 전기화학적산화(Electrochemical Oxidation) 등의 종류가 있다. 그 중 가장 많이 사용되는 방법은 고온에서 얇고 균일한 실리콘 산화막을 형성하는 열산화 방법이다. 이러한 열산화 방법은 산화반응에 사용되는 기체에 따라 크게 습식 산화와 건식산화로 분류할 수 있다.

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.

특징

산화막질이 매우 우수하고 밀도가 높다.

이러한 특징을 갖고 있기 때문에 게이트 산화막을 만드는데 주로 사용되고 있다.​

게이트에 직접적인 전압이 인가되다보니 게이트 산화막 내에 defect(trap)이 존재한다면 소자 동작에 매우 치명적이기 때문에 defect 밀도가 낮은 건식 산화로 만든 게이트 산화막을 이용한다.

성장 속도가 느리다.

어떻게 보면 시간이 오래 걸려 단점이기도 하지만 어떻게 보면 또 장점이다.

게이트 산화막은 높은 정전용량을 갖고 있어야 절연 능력이 올라가게 된다. 정전용량은 게이트 산화막의 면적에 비례하고 두께에 반비례한다. 면적을 늘리는 것은 한계가 있기 때문에 두께를 줄이면 게이트 산화막의 정전용량이 증가하게 된다.

건식산화를 이용하면 성장속도가 느리기 때문에 얇은 두께 제어가 가능하게 된다.

산화막

산소 반응성이 좋은 규소는 산소와 결합하여 산화막(SiO₂)을 만든다. 영어로는 Silicon Di-oxide라고 하는데, Di는 2개라는 뜻이라 큰 의미가 없다보니 생략하여 옥사이드(Oxide)로 통칭한다. 이러한 산화막은 말그대로 표면에만 얇게 형성되기 되기 때문에 여러가지 용도로 사용된다. 주로 아래와 같은 기능을 한다.

1. 절연체로써 회로와 회로 사이의 누설전류를 막아주는 역할을 한다.
2. 보호층으로써 선택적으로 열린 영역만 공정 작용이 일어나게 한다.
3. 보호층으로써 표면의 오염, 긁힘, 먼지 등으로부터 보호한다.
4. 이온 주입공정에서 확산을 방지하는 역할을 한다.
5. 각 소자간 격리
6. MOS로의 구성역할
7. Metalization에서 전기적 격리

고온에서도 실리콘 결정과의 결합 특성이 좋다. 이러한 특성 덕분에, 산화막은 여러 공정 과정에서 보호층으로 사용된다.

건식산화와 습식산화의 비교

습식산화와 건식산화의 비교

건식산화와 습식산화의 비교

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
• N type, 〈<반도체 이야기> 산화 공정 : 건식 산화(Dry oxidation)와 습식 산화(Wet oxidation)〉, 《네이버 블로그》, 2021-08-08

같이 보기

• 산화
• 습식산화
• 산화공정
• 반도체 공정
• 산화막
• 웨이퍼

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