산화공정

산화공정(oxidation)

반도체 8대공정

산화공정(oxidation)은 반도체 8대 공정 중 하나로, 웨이퍼에 산소를 주입하여 산화를 유도하는 과정을 말한다.

개요

모래에서 추출한 실리콘은 반도체 집적회로의 원재료가 되기 위해 일련의 정제과정을 거쳐 실리콘 기둥(Ingot)으로 만들어진다. 이 실리콘 기둥, 즉 잉곳을 균일한 두께로 절단한 후 연마과정을 거치면 웨이퍼(Wafer)가 된다.

연마 직후의 웨이퍼는 전기가 통하지 않는 순수 상태이기 때문에 반도체의 성질을 갖도록 웨이퍼 표면에 여러 가지 물질을 형성시킨 후, 설계된 회로 모양대로 깎고, 다시 물질을 입혀 깎아 내는 작업의 반복이 필요하다.

이 모든 공정의 기초 단계인 산화(Oxidation)공정은 웨이퍼에 여러 가지 물질로 얇은 막을 증착하는 대표적인 방법으로, 고온(800~1,200℃)에서 산소나 수증기를 웨이퍼 표면에 뿌려 얇고 균일한 실리콘 산화막(SiO₂)을 형성시키는 과정이다.

이때 형성되는 산화막은 공정 시 발생하는 오염물질이나 화학물질로 생성되는 불순물로부터 실리콘 표면을 보호하는 역할을 한다. 눈에 보이지 않는 미세한 불순물도 실리콘 표면에 침투하게 되면 비저항 혹은 전도율을 변화시키는 요인이 되어, 집적회로의 전기적 특성에 치명적인 영향을 미치게 된다. 이 때문에, 불순물 침투로부터 실리콘 표면을 보호하는 산화막의 역할은 매우 중요하다.

또한, 산화막은 이온 주입법으로 주입된 불순물이 웨이퍼 표면에 도달하는 것을 막아 주는 든든한 보호막 역할을 하고, 웨이퍼 위에 그려지는 각 배선이 합선이 되지 않도록 구분해주는 절연막 역할을 하기도 한다.

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.

산화공정의 방법

열산화법

습식산화와 건식산화의 비교

웨이퍼는 대기 중 혹은 화학물질 내에서 산소에 노출되면 산화막을 형성하게 되는데 이는 철(Fe)이 대기 중에 노출되면 산화되어 녹이 스는 것과 같은 이치이다.

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.

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.

산화공정 과정

1) wafer cleaning(기존 자연 산화막 제거) (wet station)

• APM or HPM cleaning을 통해 유기물 제거 시 산화막이 형성된다.

• 이것을 불산으로 제거하는 과정이 일종의 wafer cleaning 과정이다. 그리고 DI water로 씻어주고 말리면 끝이다.

2) Thermal oxidation(열산화) (Furnace(도가니) or RTP(Rapid Thermal Processing)

• oxidation 공정은 그냥 wafer의 산소와 수증기만 공급한다고 되는게 아니라 고온으로 진행을 해야 한다. 크게 두가지이다

(1) Furnace(도가니)

- vertical 구조와 horizontal 구조로 두가지 종류의 도가니가 존재 (고온으로 열산화를 시켜주는 기계장치)

- 현재 반도체 산업에서는 vertical 구조를 주로 사용

(2) RTP(Rapid Thermal Processing)

진공 Chamber에서 작업하고, 기본적으로 Single wafer 열처리, Halogen Lamp(우리가 아는 백열전구 느낌) 사용

한개의 웨이퍼만 들어갈 수 있음. -> 상대적으로 생산성이 낮음.

빠르게 온도를 올릴 수 있고, 정확한 온도 설정이 가능하기 때문에 측정, 제어가 용이함. -> 불량률이 적음

(3) 화학적 기상증착

3) inspection(검사) (Ellipsometer)

• laser ellipsometer를 이용해 검사를 진행.
• 기판에 laser을 쏴준 후에 산화막 표면에서 반사되어 돌아오는 속도와 실리콘 표면에서 반사되어 돌아오는 속도를 비교해 평균 두께를 산출하는 방식.

산화막 성장 속도에 영향을 미치는 요소

반도체 사이즈는 점점 작아지고, 이 와중에 산화막은 보호막의 역할을 위해 꼭 필요하므로 산화막의 두께는 반도체 사이즈를 결정하는 데에 아주 중요한 요소로 작용한다. 따라서 산화막의 두께를 줄이기 위해 산화 공정의 다양한 변수를 조율하게 된다. 2번 항목에서 설명 드렸던 습식 산화, 건식 산화도 그 변수의 한 종류라고 말할 수 있으며, 그 이외에도 웨이퍼의 결정 구조, 더미 웨이퍼(가스를 정면으로 닿거나 나중에 닿는 부분의 산화 정도 차이를 줄이기 위해 희생 웨이퍼인 더미 웨이퍼를 활용하여 가스의 균일도를 맞추어 줄 수 있음), 도핑 농도, 표면 결함, 압력, 온도, 시간 등이 산화막의 두께에 영향을 줄 수 있다.

국부 산화공정

산화막을 국부적으로 성장시키기 위해서는, 선택적으로 산화를 해야 한다. 따라서, 산화 작용제(oxidizing species)의 확산을 부분적으로 막아낸다면 선택적인 산화가 가능하다. 실리콘의 경우, 이러한 확산을 막는 막으로, 질화막(Si₃N₄)을 사용한다. 이는 저압 화학 증착법을 이용하여 실리콘에 증착시키게 된다.

그러나 질화막이 직접 실리콘에 닿아 있는 경우, 높은 스트레스로 인해 선택 산화 도중 실리콘에 결함을 만들수 있다. 따라서, 경계면에 약 50[nm]의 산화막을 두게 된다.

국부 산화 과정을 모식도로 나타내면 다음과 같다.

국부 산화 과정

열산화 공정시 질화막이 없는 부분이 산화되고, 수평 방향으로의 산화도 동시에 일어나면서 질화막을 일부 밀어낸다. 이후 질화막 밑의 영역은 Si가 노출돼 활성영역이 되고, 산화막에 둘러쌓인 영역은 소자 분리 영역이 된다. 이를 통해 절연체로써 역할이나 공정 과정에서의 보호영역을 설계할 수 있게 된다.

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

같이 보기

• 건식산화
• 습식산화
• 반도체 공정
• 산화막
• 웨이퍼

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