습식산화

습식산화(Dry oxidation)와 건식산화.

습식산화(Wet oxidation)는 반도체 산화공정에서 기체 상태의 물을 이용해서 실리콘 표면을 산화하는 과정이다.

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

개요

습식산화는 건조산화와 달리 수증기가 포함된 환경에서 산화막을 형성하는 과정이다. 이 방법은 저항 변화 및 절연막 제조에 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 습식산화와 건식산화로 분류할 수 있다.

습식산화는 산소(O₂)와 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.

특징

1. 성장 속도가 빠르다.

수증기가 산소 기체보다 산화막 내에서의 고체 용해도가 크기 때문에 산화막 성장 속도가 빠르다. 주로 Field Oxide처럼 두꺼운 산화막을 기르는데 사용된다.

​여기서 Field Oxide란, CMOS는 NMOS와 PMOS가 붙어 있는 구조인데 NMOS와 PMOS간의 전기적인 절연을 위해 중간에 Field Oxide를 기른다. 일종의 경계선이라고 보면 된다. 물론 소형화의 이유로 Field Oxide는 현재, 사용되지 않는다.

2. 산화막 질이 매우 나쁘다.

하지만, 성장 속도가 빠르다고 해서 다 좋은 것은 아니다. 성장속도가 빠르기 때문에 산화막 내에 defect가 많이 존재한다. 그래서 습식산화로 만든 산화막은 건식산화로 만든 산화막에 비해 신뢰성이 낮기 때문에 게이트 산화막으로 이용될 수 없다.

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
• 건식산화
• 산화공정
• 반도체 공정
• 산화막
• 웨이퍼

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