- 본 문서는 반도체 8대 공정의 두 번째 단계인 '산화공정'에 대해 내용이며, 가장 대표적인 산화 공정 방법인 '열 산화막'를 위주로 다루겠습니다.
- 본 문서는 엔지닉 '반도체 전공면접 합격의 모든 것 - 이론 완성편'을 기반으로 작성하였습니다.
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1. 산화 공정
- 소자 형성 시에 꼭 필요한 다양한 용도의 절연막(산화막)을 Wafer 위에 형성하는 공정이다.
📌 산화막은 실리콘과 산소가 그물코 모양으로 되어있어 절연성이 높고 화학적으로 안정되어 있다. 그래서 절연막 역할을 해서 회로와 회로 사이에 누설전류가 흐르는 것을 막아주고, 식각 공정에서 필요한 부분이 깎이는 것을 방지해주는 역할도 한다.
- 공정 온도별로 산화막 형성 방법을 분류하면 다음과 같다.
- 이중 양극 산화, 스퍼터링 및 원자층 증착(ALD) 등에 의한 산화막 증착은 300℃ 이하에서 진행된다.
- 상압 화학 기상 증착(AP CVD)이나 플라즈마 강화(PE) CVD, 그리고 저압(LP) CVD은 400~780℃에서 산화막을 증착시킨다.
- 마지막으로, 열 산화막은 800℃ 이상의 고온에서 진행되는 산화 공정으로, 가장 대표적인 산화 공정 방법이다.
📌 800℃ 이하에서 형성되는 산화막은 '증착(Deposition)한다'라 표현하고, 고온의 열 산화막은 '성장(Growth)시킨다'라고 표현한다. 이는 열 산화막이 단순히 막을 쌓는 것이 아니라 산화 과정에서 실리콘 기판을 소모하면서 성장되기 때문이다.
2. 열 산화막 산화 공정
- 열 산화막 산화 공정은 어떤 산화제를 사용하느냐에 따라 2가지 종류인 건식 산화(Dry oxidation)와 습식 산화(Wet oxidation)의 두 가지로 나뉜다.
건식 산화
- 실리콘 원자와 산소 원자가 고온에서 반응해 실리콘 산화막(SiO₂)이 성장하는 것
- 산화막 성장속도가 느려 얇은 막을 형성할 때 사용하며, 전기적 특성이 좋은 산화막을 만들 수 있다. 따라서 고품질의 박막 특성이 요구되는 게이트 산화막 등에 적용된다.
- 그러나 시간이 오래 걸린다는 단점이 있다.
습식 산화
- 수증기 상태의 물을 실리콘과 반응시켜 산화막을 성장시키고 반응 부산물로 수소를 배출하는 것
- 수소와 산소가 반응해서 수증기를 만들고 실리콘과 결합하여 다시 수소로 돌아가는 반응을 반복해서 산화막을 형성한다.
- 산화막 성장속도가 건식산화보다 빠르고 두꺼운 산화막을 형성할 수 있다. 따라서 두꺼운 산화막을 빠른 시간 내에 성장시키는 용도로 사용되어 왔다.
- 그러나 산화층의 밀도가 낮아 산화막의 질이 비교적 안 좋다는 단점이 있다.
📌 최근에는 얕은 접합 깊이 형성을 위한 열 처리량을 줄이기 위해, 게이트 산화막과 같은 고품질의 얇은 산화막에도 습식 산화막을 적용한다. 이 때는 막질 향상을 위해 저온 후속 열처리 공정이 추가되기도 한다.
3. 열 산화막의 주요 특징
- 게르마늄(Ge) 반도체나 화합물 반도체 등 다른 반도체에 비해서 산화시키기 용이하다.
- 실리콘 산화막이 실리콘에 비해 도펀트에 대한 확산도가 낮아 선택적 도핑 시 차폐막(특정 지역 내의 충전부에 접근하는 것을 제한하기 위하여 사용하는 절연 장치)으로 사용할 수 있다.
- 실리콘이나 실리콘 질화막에 대한 식각 선택비가 커서, 식각 하드마스크로의 적용이 가능하고, 불산 등을 제외한 거의 모든 화학 약품에 저항성이 높다
4. 열 산화막의 구조
- 실리콘 산화막의 기본 분자 구조는 Si 원자가 중심에 우치하고 4개의 산소가 정사면체 꼭지점에 위치하는 4면체 구조이다.
- 이 때 산소 원자는 2개의 Si 원자와 결합하고 있으며, 결합하지 못한 경우에는 산화막 질에 악영향을 줄 수 있다.
5. 열 산화막의 응용
- 열 산화막은 300mm 이상의 두꺼운 산화막을 만들어, 선택적 도핑을 위한 차폐막 용도로 사용되거나 LOCOS(LOCal Oxidation of Silicon) 공정의 필드 산화막 용도로 사용되었다.
- 하지만 이온 주입 공정 및 얕은 트렌치 소자 격리 기술의 도입으로 인해 더 이상 쓰이지 않게 되었고, 포토레지스트(PR) 또는 CVD 절연막 등으로 대체되어 사용되고 있다.
- 그 대신 주로 200mm 이하의 얇은 표면 보호막(패드 산화막, 배리어 or 라이너 산화막, 희생 산화막, 스크린 산화막) 및 게이트 산화막의 용도로 사용 중이다.
- 가장 중요한 응용처는 MOSFET의 게이트 절연막으로, 소자 축소가 진행됨에 따라 산화막 두께가 감소하여 누설 전류가 발생하였고, 이를 개선하기 위해 실리콘 산화막에서 SiON(실리콘산질화막)을 거쳐 최근에는 고 유전율(High-k) 막으로 발전되어 왔다.
