질화막

질화막(窒化膜, Nitride Layer)은 주로 실리콘 질화물(Si₃N₄)을 기반으로 하며, 고온에서 실리콘과 질소를 반응시켜 형성된다. 질화막은 고유의 높은 절연성과 내구성으로 인해 반도체 소자에서 절연층 및 보호층으로 자주 사용된다. 질화막은 반도체 소자 보호, 전기적 절연, 확산 방지 등의 기능을 수행하며, 특히 고온 공정에서 뛰어난 내구성을 보인다.

일반적으로 산화막에 비해 밀도, 굴절율, 비유전율, 경도 등이 높다. 소자의 마지막 보호막으로 적합하다.

개요

산화막(SiO2)과 보조 기능을 하는 질화막

반도체에서 널리 활용되는 절연막은 다양한 목적에 따라 여러 가지가 있지만, 크게 산화막과 질화막으로 나뉜다. 산화막(Oxide)은 말 그대로 산소가 결합해 형성한 막이고, 질화막은 당연히 질소가 결합한 것이다. 최근에는 산화막이나 질화막에서 파생되어 발전된 여러 가지의 절연막이 다채롭게 활용되고 있다.

산소 형성을 위한 케미컬로는 산소 가스 혹은 물분자를 사용하며, 최근에는 플라즈마를 이용하기도 한다. 질화막 형성을 위해서도 질소 가스 혹은 플라즈마를 사용한다. 질화막 보다는 산화막이 보다 강력한 절연 기능을 갖고 있기 때문에, 절연막으로서는 산화막을 주로 사용하고, 질화막은 대부분 보조 역할을 한다. 질화막은 '1차 산화막+질화막+2차 산화막(O-N-O 절연막)'의 구조처럼 산화막과 산화막 사이에 형성한다. 또, 어떤 경우에는 산화막의 여러 종류를 만드는 과정에서 1차 산화막(SiO2) 위에 추가적인 2차 산화막(1차 산화막 입장에서는 2차 산화막도 공정 불순물입니다)으로 인한 영향을 막기 위해 Fab공정상 잠시 사용했다가 제거하기도 한다.

포토공정 전에 CVD로 SiOxNy를 만들어 ARC(Anti Reflect Coating)으로 사용하기도 한다.

또한 NAND에서 ONO층으로 사용하기도 한다.

또한 Trench를 형성할 때(STI, Trench Cap 등) mask로 사용하기도 한다.

주요 유형

질화막에는 여러 가지 유형이 있으며, 사용 목적에 따라 선택된다.

실리콘 질화물(Silicon Nitride, Si₃N₄)

가장 흔히 사용되는 질화막으로, 높은 절연성과 기계적 강도를 갖고 있다. 반도체 소자의 확산 방지막, 패시베이션 층, 게이트 절연체로 자주 사용된다.

질화 갈륨(Gallium Nitride, GaN)

고출력 및 고주파 소자에 사용되며, 우수한 전자 이동성과 고온 안정성을 가진다. LED, RF 소자, 고전력 트랜지스터 등에 널리 사용된다.

질화 알루미늄(Aluminum Nitride, AlN)

높은 열전도성으로 인해 열 방출이 중요한 소자에서 사용된다. 주로 전자 장치의 기판이나 열 관리 시스템에서 적용된다.

질화막의 역할

질화막 같은 경우엔 절연성과 유전율이 높은 특성을 가져서 다음과 같은 역할을 한다

1. 보호막, Passivation Layer로 쓰여 불순물의 확산을 막는데 쓰인다. 산소는 질화막을 침투하기 어려워서 산화 공정을 할 때 질화막이 있는 쪽의 산화를 방지할 수도 있다.
2. 높은 유전율을 갖고 있어 캐패시터 유전체로 이용되면 정전 용량을 높일 수 있다. 산화막|질화막|산화막 같은 샌드위치 구조로 많이 사용 중이다.

질화막 제조 방법

질화막은 주로 화학 기상 증착(CVD) 또는 물리 기상 증착(PVD) 방식으로 형성된다. 질화막을 성장시킬 때에는 주로 CVD 공정 중에서도 LPCVD, 저압 화학기상 증착 법을 이용한다.

화학 기상 증착(CVD)

• 플라즈마 강화 화학 기상 증착(PECVD) 공정을 통해 실리콘 웨이퍼에 질화물을 증착한다.
• 300°C에서 800°C 사이의 낮은 온도에서 진행될 수 있어, 열에 민감한 기판에도 적용이 가능하다.

3SiH₂Cl₂ + 4NH₃ → S₃N₄ + 6HCl + 6H₂Cl

디클로로실란과 암모니아 가스를 혼합해서 700~800 ℃에 성장로를 돌려 화학 반응을 일으킨다.

물리 기상 증착(PVD)

• 스퍼터링(Sputtering) 방식이 주로 사용되며, 고온에서의 물리적 반응을 통해 얇은 질화막을 형성한다.
• 높은 온도에서 형성된 막은 밀도가 높아 우수한 절연 특성을 제공한다.

질화막의 주요 용도

패시베이션 막

• 질화막은 반도체 소자를 보호하고 불순물이 소자에 침투하는 것을 방지한다.
• 또한, 소자의 전기적 특성을 안정화하여 장기적인 신뢰성을 높인다.

확산 방지막

• 불순물이 웨이퍼 표면에 확산되는 것을 방지해 소자의 성능을 향상시킨다.
• 특히, 실리콘 질화물은 산소와 습기에 강해 고온 공정에서도 효과적인 방지막 역할을 수행한다.

전기적 절연층

• 질화막은 높은 절연성으로 인해 소자 간의 전기적 간섭을 차단한다.
• 트랜지스터의 게이트 절연층으로 사용되며, MOSFET 등의 전자 소자에서 중요한 역할을 한다.

메모리 소자의 부유 게이트

• 질화막은 트랜지스터의 부유 게이트로 사용되며, NAND 플래시 메모리와 같은 비휘발성 메모리 소자에서 정보 저장을 위한 핵심 재료로 활용된다.

참고자료

• 진종문 교수, 〈<반도체 특강>산화막, 전자 이동을 막는 이상적인 절연막〉, 《SK하이닉스》, 2018-01-16
• Jojoyful, 〈<반도체 공정> Chapter 4. 박막 공정〉, 《네이버 블로그》, 2022-04-18
• 멍청이, 〈반도체 공정 내 산화막과 질화막〉, 《네이버 블로그》, 2020-09-07
• 바삭바삭, 〈CMOS 제작 공정 1. 산화막 증착, 패턴 형성, 트렌치 형성 공정〉, 《네이버 블로그》, 2021-10-14

같이 보기

• 절연막
• 산화막
• 포토마스크
• 산화공정

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