반도체 8대 공정 - (2) 산화 공정

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지난번에 소개한 반도체 첫 번째 공정인 웨이퍼 공정 에 이어서 오늘은 산화 공정에 대해서 알아 봅시다. 산화 공정은 반도체의 표면을 보호하기 위해 필요한 공정으로 그 상세 내용은 아래에서 살펴 봅시다.

1. 산화공정

산화 공정 이란, 실리콘(Si) 기판 위에 산화제(물(H2O), 산소(O2))와 열에너지를 공급하여 이산화규소(SiO2) 막을 형성하는 공정을 말합니다. 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 과정입니다.

이때 만들어지는 산화막은 회로와 회로 사이에 누설 전류가 흐르는 것을 막아줄 뿐만 아니라, 이온주입공정에서 확산 막아주는 역할, 식각 공정에서 잘못된 곳이 식각 되는 것을 막는 식각 방지막 역할을 합니다.

2. 산화 공정 방법

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

1) 건식 산화(Dry Oxidation)

건식산화는 순수한 산소(O2)만을 이용하기 때문에 산화막 성장속도가 느려 주로 얇은 막을 형성할 때 쓰입니다. 성장속도가 느릴 때 얇은 막을 형성하기 유리한 까닭은, 성장속도가 느릴수록 막의 두께를 조정(Control)하기 쉽기 때문입니다. 이렇게 얇은 막을 형성할 수 있는 건식 산화는 전기적 특성이 좋은 산화물을 만들 수 있습니다.

2) 습식 산화(Wet Oxidation)

습식산화는 산소(O2)와 함께 수증기(H2O)를 사용하기 때문에 산화막 성장속도가 빠르고 두꺼운 막을 형성할 수 있지만, 건식 산화에 비해 산화층의 밀도가 낮습니다. 따라서 산화막의 질이 건식산화에 비해 비교적 안 좋다는 단점이 있습니다. 동일한 온도와 시간에서 습식산화를 통해 얻어진 산화막은 건식산화를 사용한 것보다 약 5~10배 정도 더 두꺼운 경향을 보입니다.

3. 이 외에 산화막 성장 속도에 영향을 미치는 것들

: 반도체 사이즈는 점점 작아지고, 이 와중에 산화막은 보호막의 역할을 위해 꼭 필요하므로 산화막의 두께는 반도체 사이즈를 결정하는 데에 아주 중요한 요소로 작용합니다. 따라서 산화막의 두께를 줄이기 위해 산화 공정의 다양한 변수를 조율하게 됩니다. 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 있습니다.

오늘은 산화막의 역할을, 산화막 형성 방법, 그리고 이러한 산화막 형성 속도는 어떤 것들에 영향을 받는지에 대해 알아보았는데요. 반도체 8대 공정 중 2개의 공정이 끝났습니다. 다음에는 8대 공정중 3번째인 포토 공정에 대해서 알아 봅시다.

반도체 8대 공정 - (3) 포토 공정 (Photo Lithography) (tistory.com)