[반도체 8대 공정] (2) 산화 공정 (Oxidation Process)

두 번째 공정은 웨이퍼(Wafer)에 산화막을 씌우는 산화 공정입니다.

 

산화 과정을 통해 웨이퍼 표면을 불순물로부터 보호할 수 있을 뿐만 아니라, 회로 간 발생할 수 있는 누설 전류 또한 막을 수 있습니다.

 

또한, 산화막은 이온 공정과 식각 공정에서 각각 확산과 식각을 방지하는 역할을 하는 것을 참고 부탁드립니다.

 

먼저 산화 공정의 개략적인 내용을 소개해 드리고, 학부 시절 공부했던 공정 변수에 관한 내용을 공유드리겠습니다.

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2. Oxidation Process

산화막을 형성하는 방식에는 건식(Dry Oxidation)과 습식(Wet Oxidation) 두 가지가 있습니다.

 

먼저 건식 방식은 산소(O₂)만을 사용하기 때문에 산화막이 형성되는 속도가 느린 반면에 밀도가 높고 고품질의 산화막을 형성합니다.

이와는 반대로 습식 방식은 산소(O₂)와 용해도가 큰 수증기(H₂O)를 함께 사용하기 때문에 산화 속도가 빠른 반면에 저품질의 산화막을 형성합니다.

 

그렇기 때문에 레이어(Layer) 특성에 맞춰서 산화막의 형성 방식을 조절합니다. 예를 들어 굳이 고품질의 막을 형성할 필요가 없는 공정에는 건식 방식을 사용할 이유가 없겠죠?

 

산화막은 Furnace라는 800~1,200℃ 고온에서 열 산화 장치를 통해 진행되는데, 산화막을 쌓는 가장 핵심인 균일성을 위하여 가장 앞, 뒤에 있는 웨이퍼를 더미 웨이퍼(Dummy Wafer)로 사용합니다.

 

산화막이 형성되었는지 확인하는 간단한 방법은 크게 두 가지가 있습니다.

 

첫 번째는 DI Water(Deionized Water)를 활용하는 것입니다. 산화막은 친수성 성질을 갖기 때문에 만약 산화막이 잘 형성되었다면 DI Water가 닿았을 때 막을 형성하고 웨이퍼에서 물방울이 떨어지지 않게 됩니다. 반대로 막이 잘 형성되지 않았다면 물방울은 떨어지게 됩니다.

두 번째는 레이저 검수기를 사용하는 것입니다. 레이저를 사용하여 기판의 두께를 측정하는 것은 물론 산화막의 두께와 형성 여부를 확인할 수 있습니다.

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2-1. 산화 공정의 과정

앞서 말씀드린 산화 공정의 과정을 크게 세 가지로 나눌 수 있습니다.

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1. Wafer Cleaning
2. Oxidation (Dry or Wet)
3. Inspection

​Wet Station에서 클리닝 후 Furnace에서 산화 및 검수를 합니다. 쉽게 산화막이 있는지 없는지 알 방법은 물(DI Water)에 접촉시키는 것이며, 산화막은 친수성이기에 물에 접촉되었을 때 있으면 물의 막이 형성되고, 없으면 물방울이 떨어지게 됩니다. 이러한 개념을 Contact angle이라고 합니다.

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​2-2. 산화의 방식 (Oxidation vs Deposition)

산화의 방식에는 크게 Oxidation과 Deposition이 있습니다.

 

Oxidation 방식은 800도 이상의 High Temp. 를 사용하고, 기판으로 Si만을 사용합니다. 막질이 높은 장점이 있으나 기판을 소모하여 막을 형성한다는 단점이 있습니다.

Deposition 방식은 상대적으로 Low Temp. 를 사용하고 기판의 제한이 없습니다. 또한, 낮은 전력에서 Break Down이 발생하고, Etch시 빨리 깎인다는 특징이 있습니다.

 

이러한 특성에 따라서 Deposition 방식은 막질이 좋지 않기 때문에 Gate Insulator 용으로는 사용할 수 없습니다.

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​2-3. 산화막의 용도

앞서 말씀드렸지만 용도는 크게 세 가지로 구분할 수 있습니다.

1. 소자 간의 격리
2. Gate Insulator
3. Mask Layer (Photo, Ion implantation)

 

1) 소자 간의 격리

예전에는 LOCOS(Local Oxidation on Silicon)를 많이 사용했습니다만, Bird`s Beak 현상으로 고집적화에 문제가 있었기 때문에 STI(Shallow Trench Isolation)를 사용하고 있습니다.

 

Bird`s Beak 현상은 열 성장 속도 차이 때문에 노출된 부분의 가장자리는 조금 성장하고 중심부는 많이 성장하는 현상을 말하며, 이 불균형한 모습이 새의 부리를 닮았다고 하여 Bird's Beak으로 불립니다.

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2) Gate Insulator

MOSFET에서 Gate Insulator로 산화막을 사용합니다.

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3) Mask Layer (Photo, Ion implantation)

포토, 이온 주입 등 산화막을 마스크로 사용할 수 있습니다.

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2-4. 산화 공정의 변수

산화 공정의 변수는 상당히 많습니다만, 학부 시절 공부한 것을 토대로 크게 8가지로 요약했습니다.

 

1. 산화제
2. 웨이퍼 결정 구조
3. 더미 웨이퍼
4. 도핑 농도
5. 표면 결함
6. 압력
7. 온도
8. 시간

첫 번째는 산화제입니다. 산화제에 따라 건식과 습식으로 나눌 수 있고, 앞서 말했다시피 습식(Wet Oxidation)은 용해도가 산소보다 높은 수증기를 함께 사용하기 때문에 건식(Dry Oxidation) 보다 반응 속도가 빠릅니다. (즉, 산화막 성장 속도가 더 빠릅니다).

그러나 산화막의 밀도가 낮아 저품질의 산화막을 형성하게 되므로, 보통 고품질이 있어야 하는 Gate 산화막은 Dry 방식을 이외에는 Wet 방식을 하는 것으로 생각합니다.

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두 번째는 웨이퍼의 결정 구조입니다. 물리 전자에서 배우는 Miller Index는 많은 분께 익숙할 것으로 생각합니다. 면 안에 들어가는 원자의 개수는 (100)보다 (111)에서 더 많고. 그러므로 (111)의 성장 속도가 더 빠르게 됩니다.

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세 번째는 더미 웨이퍼입니다. 많은 웨이퍼가 케이스 안에 쌓여 가스를 정면으로 받거나 나중에 닿는 부분은 산화되는 정도가 다릅니다. 더미 웨이퍼(Dummy Wafer)를 활용하여 Furnace 내의 가스 균일도를 맞춰서 산화막의 균일한 형성을 돕습니다.

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네 번째는 도핑 농도입니다. 도핑 농도가 증가하면 산화막의 두께가 증가합니다.

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다섯 번째는 표면 결함입니다. 표면 결함이 있는 부분은 활성화 에너지가 낮고, 이러한 결함 부분은 산화막 성장 속도가 증가하게 됩니다.

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여섯 번째는 압력입니다. 압력이 증가하면 산화막 성장 속도가 증가합니다. 즉, 압력이 높은 공간에서는 비교적 낮은 온도에서 산화가 가능하게 됩니다.

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일곱 번째는 온도입니다. 고온에서는 에너지 공급이 원활하고 산화막 성장 속도가 증가합니다.

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여덟 번째는 시간입니다. 산화막의 성장은 시간이 지날수록 줄어들어서 결국 두께는 수렴하게 됩니다.

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이상, 읽어주셔서 감사드립니다.