반도체 산화 공정 | [반도체 공정] 1. 산화 (Oxidation) 상위 17개 베스트 답변

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[반도체 8대 공정] 2탄, 웨이퍼 표면을 보호하는 산화공정

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[반도체 공정] 2. 산화 공정 (Oxidation) – 생각하는 공대생

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반도체 주식공부 8대 공정 정리 (3) 산화공정

실제 반도체 공정에서의 산화공정은 매우 간단하다. 800도 ~ 1200도 사이에서 열처리만 해주면 된다. 산소나 수증기를 실리콘 웨이퍼 표면과 화학반응 …

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[반도체 공정] 1. 산화 (Oxidation)
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주제에 대한 기사 평가 반도체 산화 공정

  • Author: 칩쟁이
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  • Date Published: 2022. 4. 12.
  • Video Url link: https://www.youtube.com/watch?v=dHavexFfT6k

[반도체 8대 공정] 2탄, 웨이퍼 표면을 보호하는 산화공정 – 삼성 반도체 뉴스룸

알고 보면 현대인들이 물이나 공기만큼 자주 접하는 반도체. 우리 삶과 밀접하게 연결되어 있는 반도체가 어떻게 만들어지는지 알아보는 8대 공정 시간입니다. 지난 시간에는 그 첫 이야기로 웨이퍼(Wafer)의 제조에 대해 알아봤는데요.

이번에는 반도체 8대 공정의 두 번째 시간, 산화공정(Oxidation)에 대해 자세히 알아보겠습니다.

웨이퍼의 보호막과 절연막 역할을 하는 ‘산화막(SiO₂)’

모래에서 추출한 실리콘을 반도체 집적회로의 원재료로 탄생시키기 위해서는 일련의 정제 과정을 통해 잉곳(Ingot)이라고 불리는 실리콘 기둥을 만듭니다. 이 실리콘 기둥을 균일한 두께로 절단한 후 연마의 과정을 거쳐 반도체의 기반이 되는 웨이퍼를 만드는데요.

이렇게 만들어진 얇고 둥근 판 모양의 웨이퍼는 전기가 통하지 않는 부도체 상태입니다. 그래서 도체와 부도체의 성격을 모두 가진 ‘반도체’의 성질을 가질 수 있도록 만드는 작업이 필요한데요. 이를 위해 웨이퍼 위에 여러 가지 물질을 형성시킨 후 설계된 회로 모양대로 깎고, 다시 물질을 입혀 깎아내는 일이 반복되죠.

이 모든 공정의 가장 기초적인 단계가 산화공정입니다. 산화공정을 거치는 이유는 웨이퍼에 절연막 역할을 하는 산화막(SiO₂)을 형성해 회로와 회로사이에 누설전류가 흐르는 것을 차단하기 위해서 입니다. 산화막은 또한 이온주입공정에서 확산 방지막 역할을 하고, 식각공정에서는 필요한 부분이 잘못 식각되는 것을 막는 식각 방지막 역할도 합니다.

즉, 산화공정을 통해 형성된 산화막이 반도체 제조과정에서 든든한 보호막 역할을 하는 건데요. 미세한 공정을 다루는 반도체 제조과정에서는 아주 작은 불순물도 집적회로의 전기적 특성에 치명적인 영향을 미치기 때문입니다.

그렇다면 이렇게 든든한 보호막 역할을 하는 산화막은 어떻게 형성되는 것일까요?

웨이퍼는 대기 중 혹은 화학물질 내에서 산소에 노출되면 산화막을 형성하게 되는데요. 이는 철(Fe)이 대기에 노출되면 산화되어 녹이 스는 것과 같은 이치입니다.

웨이퍼에 막을 입히는 산화공정의 방법에는 열을 통한 열산화(Thermal Oxidation), 플라즈마 보강 화학적 기상 증착(PECVD), 전기 화학적 양극 처리 등 여러 종류가 있습니다. 그 중 가장 보편적인 방법은 800~1,200℃의 고온에서 얇고 균일한 실리콘 산화막을 형성시키는 열산화 방법입니다.

열산화 방법은 산화반응에 사용되는 기체에 따라 건식산화(Dry Oxidation)와 습식산화(Wet Oxidation)로 나뉘는데요. 건식산화는 순수한 산소(O₂)만을 이용하기 때문에 산화막 성장속도가 느려 주로 얇은 막을 형성할 때 쓰이며, 전기적 특성이 좋은 산화물을 만들 수 있습니다. 습식 산화는 산소(O₂)와 함께 용해도가 큰 수증기(H₂O)를 함께 사용하기 때문에 산화막 성장속도가 빠르고 보다 두꺼운 막을 형성할 수 있지만, 건식 산화에 비해 산화층의 밀도가 낮습니다. 보통 동일한 온도와 시간에서 습식산화를 통해 얻어진 산화막은 건식산화를 사용한 것보다 약 5~10배 정도 더 두껍습니다.

지금까지 웨이퍼의 표면을 보호해주는 산화막의 형성 과정과 그 역할에 대해 알아보았는데요. 다음 시간에는 산화막이 형성된 반도체 위에 어떻게 반도체 설계 회로를 그려 넣는지에 대해 소개할 예정이니 많은 기대 바랍니다.

반도체 산화공정이란? (Oxidation공정)

안녕하세요.!

소비자디스플레이 정민규입니다.

반도체 산화공정(Oxidation) 에 대해 알아 봐요!

목차

​A. 산화(Oxidation)공정이란?

B. 산화막[Oxide Film]이란?

C. 산화막의 역할

D. 열 산화막 형성 방법

A. 산화공정이란?

​< 실리콘 웨이퍼 >

모래에서 추출한 실리콘은 반도체 집적회로의 원재료가 되기 위해 일련의 정제과정을 거쳐 실리콘 기둥(Ingot)으로 만들어집니다. 이 실리콘 기둥을 균일한 두께로 절단한 후 연마과정을 거치면 “웨이퍼=과자”가 되는데요. 이 얇고 둥근 판 모양의 과자는 전기가 통하지 않는 부도체 상태인데요. 도체와 부도체의 성격을 모두 가진 ‘반도체’의 성질을 가질 수 있도록 만드는 작업이 필요합니다.

​이를 위해서는 웨이퍼 위에 여러 가지 물질로 얇은 막을 증착해야합니다.

이렇게, ​고온(800~1,200℃)에서 산소나 수증기를 웨이퍼 표면에 뿌려 얇고 균일한 실리콘 산화막(SiO₂)을 형성시키는 과정을 “산화(Oxidation)공정”이라고 합니다.

B. 산화막[Oxide Film]이란?

산화막[Oxide Film]이란? 공정에서 발생하는 불순물로부터 실리콘 표면을 보호하는 막​

웨이퍼에 막을 입히는 산화막 형성 방법에는 여러가지가 있습니다.

1. 열산화(Thermal Oxidation)

2. ​전기 화학적 산화(Electrochemical Oxdiation)

3. 화학적 기상 증착(Chemical Vapor Deposition, CVD)

4. ​플라즈마 화학 기상 증착 (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD)

​이 중에서도 800~1,200℃의 고온에서 얇고 균일한 실리콘 산화막을 형성시키는 “열산화 방법”을 보편적으로 사용합니다. ​ 열산화 방법은 산화반응에 사용되는 기체에 따라 건식산화(Dry Oxidation)와 습식산화(Wet Oxidation)로 나뉩니다.

<건식산화와 습식산화의 측면 모습>

건식산화(Dry Oxidation) ​산소만을 이용해 얇은 막을 형성할 때 주로 사용합니다.

1. 매우 좋은 전기적 특성을 가진 산화물을 만들 수 있다. 2. ​동일한 온도, 같은 두께의 산화물을 형성하는데 습식산화 보다 더 많은 시간이 필요하다. 3. 얇은 산화막 성장 : ~200Å(느린산화속도) 4. 패드 산화막,게이트 산화막, STI라이너(Liner) 산화막으로 사용

습식산화(Wet Oxidation) ​산소와 수증기를 모두 사용하기 때문에 보다 두꺼운 막을 형성할 때 사용합니다.​ ​ 1. ​산화막 성장속도가 빠르고 동일한 온도와 시간에서 습식산화를 사용하여 얻어진 산화막은 건식산화를 사용한 것보다 약 5~10배 정도 더 두꺼운 막을 형성 할수 있다 2. 건식 산화에 비해 산화층의 밀도가 낮습니다. 3. 두꺼운 산화막 성장 : ~ 수천 Å(빠른산화속도)

C. 산화막의 역할

1. 실리콘 표면 보호

2. 이온 주입시의 마스크

3. 소자 분리

4. 유전체

1. 실리콘 표면 보호 역할​

반도체 제조 공정 중에는 여러 가지 의도하지 않는 오염이 발생되는데, 그 중 불순물 (Impurity)에 의해 실리콘의 비저항 또는 전도율이 변화하여 소자의 특성을 떨어트리는 경우가 있어서 직접회로의 전기적 특성에 치명적인 영향을 미치게 됩니다. 따라서, 산화막은 이 불순물들을 방지하고 소자의 전기적 특성을 보호하며, 먼지, 긁힘, 오염물질로부터 실리콘 표면의 오염을 방지하는데요. 공정 시 발생하는 불순물로부터 웨이퍼를 보호하는 산화막의 역할이 매우 중요한것입니다.

2. 이온 주입시의 마스크 역할

< 1. 산화막 이온 주입 >

웨이퍼 표면에 산화막으로 패턴을 형성하고 이온 주입법으로 불순물을 주입할 경우 선택적인 영역에 이온을 주입할수 있습니다.

< 2. 유기막 이온 주입 >

유기막 패턴을 형성하고 이온 주입할 경우 이온이 유기막을 통과하는 경우 대치하여 사용할 수 있습니다. 메커니즘은 산화막을 마스크처럼 사용하여 선택적 영역에 이온을 주입하는 것입니다.​

​3. 소자 분리 역할

소자의 크키가 작아지게 되면 소자분리 영역도 좁아져 기존의 로코스(LOCOS) 기술로는 분리가 불가능합니다. 이때 규소(Si)를 식각하고 산화막을 채워 소자를 분리하는데요. 흔히 STI(Shallow Trench Isolation)이라 불리는 공정 기술을 사용하는데, 트렌치(Trench)라는 도랑안에 채워지는 산화막은 CVD(Chemical Vapor Deposition)방법으로 증착하며, 산화막 증착 전 트렌치 식각 계면을 안정화 시키기 위해 트렌치 측벽에 열 산화막을 형성시킵니다. 메커니즘은 산화막으로 채워진 트렌치가 소자1영역과 소자2영역을 절연하여 전기적으로 연결되지 않도록 분리하는 것입니다.

4. 유전체의 역할

1. 트랜지스터의 역할

산화막은 전기적 기능을 담당하는 유전체의 역할을 합니다.

2. 캐패시터의 역할

산화막은 수동소자의 하나만 캐패시터 구성요소인 유전체로써, 게이트와 실리콘, 메탈과 메탈 사이에 삽입되어 커패시터를 구성합니다.

D. 열 산화막 형성 방법

1. 산화 및 확산 장비

2. 열 산화막 공정의 중요한 변수

​<열 산화막 성장 로,Furnace> < 출처 : (주)세미트로닉스 >

1. 산화 및 확산 장비(Furance)

실리콘 산화막 형성과 이온 주입후 불신물을 실리콘 내부로 확산 시키는 장비입니다.

확산 장비의 역할

a. 고온의 챔버 내부에 있는 웨이퍼에 산소가스의 산화 분위기에서 표면에 산화막 형성시킨다.

b. 웨이퍼 표면에 주입된 불순물 이온들의 전기적 활성화 시켜준다.

c. 온도와 시간을 조절하여 주입된 불순물을 소정의 깊이까지 확산할수 있다.

장비의 종류

확산장비는 수직형과 수평형 두 가지 종류가 있습니다.

확산장비의 구성

고정밀도로 유량제어된 프로세스 가스를 챔버 내부에 공급 및 챔버 내부의 압력 제어에 필요한 집적화 가스 공급시스템과 프로세스 가스용 밸브, 프로세스 가스용 레귤레이터, 고진공용 밸브, 진공 압력 비례제어 시스템 등으로 구성되어 있습니다.

<열 산화막 성장 로 내부 모습>

1. 석영관 로(Quartz-tube Furance) 사용

2. 공정온도 : 실리콘(Si) = 800~1200℃

3. 소스(Source) : 산소(O₂)

4. 반응 메커니즘

건식 산화 : 실리콘 웨이퍼(고체) + O₂ -> SIO₂ (고체산화막)

습식 산화 : 실리콘 웨이퍼(고체) + 2H₂O -> SiO₂ (고체산화막) + 2H₂

2. 열산화막 공정의 중요한 변수 세가지

1. 온도에 따라 산화막의 두께도 증가한다.

​2. 압력에 따라 차이가 있다.

​3. 열산화 하고자 하는 실리콘 기판의 결정방향

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감사합니다.

[반도체 공정] 반도체? 이 정도는 알고 가야지 : (2) 산화(Oxidation) 공정

반도체? 이 정도는 알고 가야지: (2) 산화(Oxidation) 공정

지난 시간에 반도체 8대 공정 중 첫 번째 공정인 ‘웨이퍼 공정’에 대해 소개해드렸었는데요. 오늘은 그렇게 힘들게 만들어진 웨이퍼 표면을 보호하기 위한 공정인 ‘산화 공정’을 소개해드리려 합니다. 오늘도 눈 똑바로 뜨고 흡수할 준비 되셨나요? 그럼 시작~

SK Careers Editor 이미진

1. 산화 공정이란?

가장 먼저 산화 공정이 어떤 말인지 알고 가야겠죠? ‘산화 공정’이란, 실리콘(Si) 기판 위에 산화제(물(H2O), 산소(O2))와 열에너지를 공급하여 이산화규소(SiO2) 막을 형성하는 공정을 말합니다.

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 합니다. 이렇게 다양한 종류의 보호막이 되어 웨이퍼를 지켜주는 것이죠. ‘산화’의 이해가 어려우시다면, 철(Fe)이 녹스는 현상을 생각하시면 됩니다.

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. 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 것입니다. 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 저와 함께 산화막이 어떤 역할을 하는지, 산화막이 어떻게 형성되는지, 그리고 이러한 산화막의 형성 속도는 어떤 것들에 영향을 받는지에 대해 알아보았는데요. 반도체 8대 공정 중 2개의 공정이 끝났습니다. 다음 시간에는 반도체 위에 회로 패턴을 만드는 식각 공정에 대해 다뤄보겠습니다. 더 빠른 이해를 위해 오늘 다뤘던 내용 한 번 더 읽어보길 바라며 오늘은 이만 안녕~

[반도체 8대 공정] 2탄, 웨이퍼 표면을 보호하는 산화공정

웨이퍼는 대기 중 혹은 화학물질 내에서 산소에 노출되면 산화막을 형성하게 되는데요. 이는 철(Fe)이 대기에 노출되면 산화되어 녹이 스는 것과 같은 이치입니다. 웨이퍼에 막을 입히는 산화공정의 방법에는 열을 통한 열산화(Thermal Oxidation), 플라즈마 보강 화학적 기상 증착(PECVD), 전기 화학적 양극 처리 등 여러 종류가 있습니다. 그 중 가장 보편적인 방법은 800~1,200℃의 고온에서 얇고 균일한 실리콘 산화막을 형성시키는 열산화 방법입니다. 열산화 방법은 산화반응에 사용되는 기체에 따라 건식산화(Dry Oxidation)와 습식산화(Wet Oxidation)로 나뉘는데요. 건식산화는 순수한 산소(O₂)만을 이용하기 때문에 산화막 성장속도가 느려 주로 얇은 막을 형성할 때 쓰이며, 전기적 특성이 좋은 산화물을 만들 수 있습니다. 습식 산화는 산소(O₂)와 함께 용해도가 큰 수증기(H₂O)를 함께 사용하기 때문에 산화막 성장속도가 빠르고 보다 두꺼운 막을 형성할 수 있지만, 건식 산화에 비해 산화층의 밀도가 낮습니다. 보통 동일한 온도와 시간에서 습식산화를 통해 얻어진 산화막은 건식산화를 사용한 것보다 약 5~10배 정도 더 두껍습니다. 지금까지 웨이퍼의 표면을 보호해주는 산화막의 형성 과정과 그 역할에 대해 알아보았는데요. 다음 시간에는 산화막이 형성된 반도체 위에 어떻게 반도체 설계 회로를 그려 넣는지에 대해 소개할 예정이니 많은 기대 바랍니다.

*source : 반도체이야기. http://samsungsemiconstory.com

[반도체 공정] 2. 산화 공정 (Oxidation)

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산화(Oxidation)의 종류

산화 공정이란 규소 즉, 실리콘(Si)에 열과 산화제(물, 산소)를 공급하여 이산화 규소인 SiO 2 를 제조하는 공정이다.

실리콘을 산화시키는 방법에는 크게 두가지가 있는데,

바로 습식 산화(Wet Oxidation)과 건식 산화(Dry Oxidation)이다.

습식 산화(Wet Oxidation)는 산화제로 물(H2O)을 (또는 물과 산소 혼합) 사용하며 다음 반응식으로 이루어진다.

Si(s) + 2 H2O(g) → SiO2(s)+ 2 H2(g)

이 방법은 H2O가 O2 보다 높은 diffusivity와 solubility를 갖고 있기 때문에 산화막이 두껍고 빠른 성장이 가능하지만(fast growth) 그만큼 산화막의 밀도가 낮으며(less dense), 품질이 떨어진다(low quality)

건식 산화(Dry Oxidation)는 산화제로 산소(O2)만을 사용하며 다음 반응식으로 이루어진다.

Si(s) + O2(g) → SiO2(s)

이 방법은 산화막이 얇고 성장이 느리지만 밀도가 높고(more dense) 품질이 좋다(better quality)

산화 속도는 온도, 압력과 시간, 표면 결함 그리고 결정 구조와 같은 다양한 요인들에 영향을 받는다.

특히 결정구조에서는 (111)구조가 (100)구조보다 결정면에 들어있는 원자수가 많기때문에 더 빠른 속도로 성장이 된다.

산화(Oxidation) 공정

크게 산화공정은 다음과 같다.

Wafer Cleaning은 wafer 표면의 유기물, 금속 불순물 등을 제거하는 과정이다. 이 과정에서는 산화막인 SiO 2 를 HF로 제거하는 공정이 포함되는데 그 이유는 Si가 대기중에서도 산화되어 품질이 떨어지는 얇은 산화막을 생성하기 때문이다.

산화막은 친수성이기 때문에 산화막이 있으면 물의 막이 형성되며, 산화막이 없으면 물의 막이 형성되지 않고 흘러 내리므로 DI water에 넣었다가 꺼내면 산화막 제거 여부를 간단하게 알 수 있다.

Thermal Oxidation은 Furnace를 이용하여 높은 온도(900-1200°C)에서 wet/dry oxidation을 진행하는 공정이다.

이 때 gas가 들어오는 부분과 나가는 부분은 상대적으로 균일성이 떨어진다. 그러므로 전체적인 균일성을 유지하기 위하여 더미기판(Dummy wafer)라는 희생 웨이퍼를 앞뒤에 배치한다.

마지막은 laser ellipsometer을 이용한 test로, 이렇게 생산된 기판에 laser을 쏴준 후 산화막 표면에서의 반사되어 돌아오는 속도와 실리콘 표면에서 반사되어 돌아오는 속도를 비교하여 산화막의 평균두께를 결정한다.

산화막(SiO2)의 역할

형성된 SiO 2 는 반도체 소자 내에서 매우 다양하고 유용한 역할을 수행한다.

1. 반도체 소자간의 분리 및 절연

반도체 소자간의 접촉이나 누전을 막아주는 분리막 역할을 한다. 절연이 좋지 못하면 소자가 고장나거나 오작동하기 때문에 이러한 특성은 매우 중요하다. 더욱이 최근에는 소자의 크기가 점점 작아지고 있기 때문에 얇으면서도 분리/절연효과가 뛰어난 산화막을 형성하는 기술의 중요성이 더욱 커지고 있다.

2. MOSFET에서 Gate Oxide

Metal-Oxide-Semiconductor 구조를 갖는 MOSFET에서 Gate Insulator로 Oxide(산화막)을 사용한다.

3. Mask Layer

이온공정(Ion implantation) 또는 선택적 식각(Selective etching) 등에서 원하는 부분에만 공정이 가능하도록 하는 mask layer의 역할을 한다.

4. Capacitor에서의 유전체(dielectric)

산화(Oxidation) vs 증착(Deposition)

산화막을 형성하는 방법에는 크게 두가지가 있다.

산화(Oxidation)는 위에서 언급했듯이 높은 온도(900-1200°C)에서 산화제를 이용하는 공정이다. 높은 품질의 산화막을 얻을 수 있다는 장점이 있으며 이 과정에서 Si가 산화제와 결합하여 소모된다. Si가 소모되면서 생성되는 산화막은 산화전 Si의 계면 아래로 45%, 계면 위로 55%의 비율로 형성된다.

반면 증착(Deposition)은 Si를 소모하지 않고 비교적 낮은 온도(400°C 이하)에서 직접 SiO2를 증착하기 때문에 계면의 변화가 없고 기판의 제한이 없으나 산화막의 품질이 떨어진다. 이렇게 생성된 산화막은 etching 속도가 빠르다는 특징이 있다.

반도체 공정 2 : 산화 공정(Oxidation) 1편

안녕하세요. 저번시간에 Wafer fabrication에 이어서 오늘은 산화 공정(Oxidation)에 대한 글을 포스팅하려 합니다.

목적 : 산화공정의 목적은 Wafer에 절연막 역할을 하는 산화막(SiO2)을 형성해 반도체에 형성될 회로 간의 누설 전류를 막고, 이온 주입 공정(Ion implantation)에서는 확산 방지막 역할을, 식각 공정(Etching)에서는 식각 방지막의 역할을 하여 반도체 제조 과정에서 든든한 보호막 역할을 하기 위함입니다.

제조 과정 : 대부분은 열산화(Thermal Oxidation) 방식을 통해 만들어지며, 이때 실리콘(Si)의 일부가 SiO2로 치환되는 방식으로 생성됩니다. 치환되는 Si와 생성되는 SiO2의 비율은 약 0.44:1입니다.

-Si 1mol의 부피 = (28.09g/mol) / (2.33g/cm^3) = 12.06 cm^3/mol

-SiO2 1mol의 부피 = (60.08g/mol) / (2.21g/cm^3) = 27.19 cm^3/mol

-따라서 두 부피비 Si/SiO2 = (12.06) / (27.19) = 0.44입니다.

산화막 생성 이미지

열산화는 크게 습식 산화(Wet Oxidation)와 건식 산화(Dry Oxidation)으로 나뉩니다.

1. 습식 산화(Wet Oxidation)

① 화학식 : Si + 2H2O -> SiO2 + 2H2 / 여기서 반응에 참가하는 원자, 분자들은 모두 기체 상태입니다.

② 이러한 반응식은 산소와 용해도가 큰 수증기(H2O)를 같이 사용해 산화막을 형성하는 방법이다. 챔버(Chamber)에 H2와 O2를 넣어주면 이들이 반응해서 H20가 생성되고, 이것이 Si와 결합해 SiO2를 형성한 후, 다시 H2로 돌아가는 과정이다.

③ 특징 : SiO2에서 H2의 용해도가 O2보다 약 1000배정도 크기 때문에 계면에 도달하는 양이 많아 공정 속도가 빠르다. 하지만 형성되는 산화막을 밀도와 강도가 낮아 전기적 특성이 우수하지는 못하다(Low quality). 이러한 습식 산화의 단점을 개선하기 위해 습식 공정 앞 뒤로 건식 산화(Dry Oxidation)를 추가하는 Dry-Wet-Dry의 방법도 사용되고 있다.

2. 건식 산화(Dry Oxidation)

① 화학식 : Si + O2 -> SiO2 / 마찬가지로 반응에 참가하는 원자, 분자들은 모두 기체 상태입니다.

② 900도~1200도 정도의 고온의 산소 분위기에서 Wafer에 산화막을 성장시키는 방법입니다.

③ 특징 : 성장 속도는 습식 산화에 비해 10~20% 정도로 매우 느리나, 절연막의 품질이 우수하여 고품질의 얇은 산화막이 필요한 곳에 쓰입니다.

건식 산화와 습식 산화의 특징을 한눈에 정리해놓은 표입니다.

Dry 와 Wet 특징 비교

절연막을 형성하는 방법은 산화 공정만 있는것이 아닙니다. 후에 설명할 증착 공정(Deposition)에서도 절연막을 형성할 수 있다는 것만 알아두시고, 이제 산화막의 성장 메커니즘으로 넘어가겠습니다.

3. 성장 메커니즘 : Deal-Groove Model

산화막의 성장 메커니즘을 Deal-Groove Model이라고 합니다. 산화막이 증착될 초기 상태와 후기 상태를 나눠서 설명합니다. (아래에 설명될 식들의 증명은 따로 ‘Deal-Groove Model 증명’ 이라는 제목의 글로 포스팅 할 예정입니다 ㅎㅎ 너무 복잡해서요 ㅠㅠ)

초기 상태

확산이 많이 진행되지 않은 상태라 SiO2층이 얇습니다. 즉, 산소가 SiO2층으로 칩입해 들어가 wafer 표면의 Si를 빠르게 만날 수 있으므로 확산 속도가 빠릅니다. 반대로 반응 속도는 상대적으로 느리다고 볼 수 있습니다. 일반 화학에서 배운 내용을 떠올려보면, 화학 반응에서는 속도가 더 느린쪽이 전체 속도를 결정함을 배웠었습니다. 따라서 초기 상태는 ‘반응 의존적입니다.

SiO2의 두께는 다음과 같은 식으로 표현됩니다.

초기 산화막의 두께 성장식

이를 건식과 습식일때의 그래프로 나타내보면 아래그림과 같습니다.

초기 산화막 성장 그래프

식의 꼴을 보면 알 수 있듯이 1차형태의 직선입니다. 따라서 그래프도 직선으로 나타집니다. 또한 <100>과 <111>은 재료의 결정방향을 뜻합니다. 즉, 초기 산화막의 성장은 wafer의 결정 방향에 따라 반응 속도가 달라집니다.

말기 상태

SiO2층이 많이 성장한 이후이며, 이때는 산화막의 두께가 충분히 두꺼워진 단계이므로 초기 상태와 반대로 확산 속도가 느리고 반응 속도가 빠릅니다. 즉, 확산 의존적인 단계입니다. SiO2층의 두께는 다음과 같은 식으로 표현됩니다.

말기 산화막 두께 성장식

말기 상태일때는 결정 방향과 상관이 없으며, 전체적인 그래프는 다음과 같이 나타나집니다.

산화막 성장의 전체적인 그래프

그래프에서 보다시피, 시간이 지날수록 산화막의 두께가 두꺼워져서 전체적인 속도가 느려집니다.

4. 산화 속도(Oxidation rate)에 영향을 주는 요소

다음은 산화 속도에 영향을 주는 요소들에 대해 설명하려고 합니다. 많은 변수들이 산화공정에 작용할 수 있으며, 이들을 제어해서 원하는 두께와 품질의 산화막을 형성하는 것이 매우 중요하기 때문에 잘 알아둬야 됩니다.

온도(Temperature)

일반적으로 온도에 비례하여 산화 속도가 증가합니다. 단, 초기 상태에서는 반응속도가 T에 관한 함수이고, 말기 상태에서는 확산속도가 T에 관한 함수이므로 그 원인이 달라짐을 명심해야 됩니다.

부분압(Pressure)

No(산소의 개수)가 클수록 산화 속도가 증가합니다. 당연히 반응하는 종의 개수가 많으니까 그만큼 속도 또한 빨라지겠죠? 기억해야되는 사실은, 부분압과 온도는 Trade-off 관계에 있다는 것입니다. (대체 가능한 관계) 예를 들어, 현재 Oxidation rate이 500 이라 하고, 이를 1000까지 높여줘야된다고 합시다. 가능한 방법으로는 공정 온도를 300도 올리는 방법과, 압력을 10atm 올리는 방법이 있습니다. 하지만 온도를 올리는 방법은 바람직하지 않습니다. 왜냐하면 산화속도 자체는 올라가지만, wafer위에 있는 다른 금속들이 녹을 가능성이 있고, 소자들 간의 열팽창 계수의 차이 때문에 bad quality가 됩니다. 따라서 온도와 압력을 적당히 조절하여 최적의 조건을 찾아야 됩니다.

화학종(Composition)

Wafer는 산소보다 수증기(H2O)와의 반응 속도가 더 빠릅니다.(Dry 방향이 <100> 방향보다 조밀하기 때문에 초기 반응성은 더 빠르나, 말기로 갈수록 비슷해집니다.

결정 방향에 따른 성장 속도 차이

도핑(Doping)

다른 원소를 첨가하는 도핑을 하면 산화 속도가 증가합니다. 보통 3가나 5가 이온을 도핑하고, 각각의 빨라지는 원인이 다릅니다.

① 3가(B, 보론) : SiO2층을 성기게 하여 확산에 도움을 줍니다. 즉, Parabolic rate constant에 영향을 줍니다.(말기)

② 5가(P, 인) : Si 표면에 타격을 주어 반응에 도움을 줍니다. 즉, Linear rate constant에 영향을 줍니다. (초기)

③ Doping Segregation Constant : m =(Si 용해도)/(SiO2 용해도) 로 나타낼 수 있습니다. m<1이면 확산에 영향을, m>1이면 반응에 영향을 주는 것을 판별 할 수 있는 척도입니다.

도핑 유무에 따른 성장 속도 차이와 Doping Segregation Constant

가스 환경(Gas ambient)

Cl, F와 같은 할로겐 가스 환경에서 공정을 진행하면 속도도 빨라지고 소자의 성능도 좋아집니다.(Good quality) 거의 모든 능력치를 향상시켜주는 깡패입니다ㅎㅎ

Si 와 O의 band-gap energy의 차이는 4.25eV인데, Si 와 Cl의 차이가 약 0.50eV정도 더 작아 Si가 O 대신 먼저 Cl과 결합을 합니다. 따라서 Cl이 SiO2를 형성하는 촉매 역할을 수행합니다. 또한 Cl이 Metal getter(금속의 불순물 제거 역할)로도 작용하여 Oxide 를 깨끗하게 해줍니다.

이어지는 내용은 산화막의 사용처와 공정 장비에 대해 알아보려고 합니다. 근데 내용이 너무 길어져서 한번 끊고 갈게요 ㅠㅠ 다음 포스팅도 이어서 봐주세요 ~~

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

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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.

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.

2-1. 산화 공정의 과정

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

Wafer Cleaning Oxidation (Dry or Wet) 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.

​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.

​2-3. 산화막의 용도

앞서 말씀드렸지만 용도는 크게 세 가지로 구분할 수 있습니다.

소자 간의 격리 Gate Insulator 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.

2) Gate Insulator

MOSFET에서 Gate Insulator로 산화막을 사용합니다.

3) Mask Layer (Photo, Ion implantation)

포토, 이온 주입 등 산화막을 마스크로 사용할 수 있습니다.

2-4. 산화 공정의 변수

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

산화제 웨이퍼 결정 구조 더미 웨이퍼 도핑 농도 표면 결함 압력 온도 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.

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.

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.

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

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

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

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

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

♥도움이 되셨다면 구독과 하트 및 댓글 부탁드립니다♥

이상, 읽어주셔서 감사드립니다.

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반도체 주식공부 8대 공정 정리 (3) 산화공정

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지난번까지 반도체 8대 공정 중 반도체 웨이퍼 제작에 대해서 알아보았다.

오늘은 산화공정에 대해서 한 번 알아보도록 하자!

실제 반도체 공정에서의 산화공정은 매우 간단하다. 800도 ~ 1200도 사이에서 열처리만 해주면 된다.

산소나 수증기를 실리콘 웨이퍼 표면과 화학반응을 시켜서 얇고 균일한 실리콘 산화막(SiO2)을 형성시키는 공정이다.

잘 만들어 놓은 반도체 실리콘 웨이퍼의 표면을 산화막으로 덮는 이유는 주위의 화학물질이나 오염으로부터 불순물 생성을 막기 위함이다. 자동화 시스템으로 공정 끝까지 사람의 사람의 손을 거의 타지는 않고 진행되지만, 어디서 나올지 모르는 불순물을 막기 위해서이다. 실리콘 웨이퍼 위에 작은 불순물들이 들어가게 된다면, 지난번에 말했던, 실리콘의 비저항 9~12 옴 cm을 변화시켜서 성능을 저하시키고, 도핑된 불순물이 전기가 흐르는 것을 방해할 수도 있어서 전체적인 성능 저하에 원인이 된다.

출처 : 삼성반도체 이야기

한 가지 재미있는 점은 열처리 과정이다. 보통은 열처리를 할 때, 가로로 된 Furnace(용광로, 아궁이 정도로 해석하면 될 것 같다)에 집어넣는 것을 떠올리는데, 세로로 된 Furnace에다가 실리콘 웨이퍼들을 집어넣는다. 그 이유는 자연대류 때문인데, 그냥 세로로 넣었을 때 자연대류 때문에 열이 더 골고루 전달된다 라는 정도로만 알아두자 . 유체역학이 이런데도 쓰인다. 또 한가지 재미난 것은, 실리콘 웨이퍼를 차례대로 쭉 나열하고 Furnace에 넣는데, 가장 처음과 마지막의 웨이퍼는 다른 중간의 웨이퍼들과 다른 특성 을 지닌다. 가스를 바로 앞에서 가장 많이 받을수도 있고, 열을 조금 더 적게 받을 수도 있는 이유들로 인해서 이 두개는 보통 쓰지 않는다. 이들을 더미 웨이 퍼라고 부른다.

그리고 산화공정에서 두 가지 방식이 있다.

건식 산화과 습식 산화인데, 건식 산화는 산소만을 사용하고, 습식 산화는 수증기도 함께 포함 된다는 것이다. 수 증기도 함께 산화공정에 사용되기에 건식 산화보다 좀 더 두껍게 산화막이 생성된다. 이렇게 만들어진 두꺼운 산화막은 빨리 만들어지기에 산화막의 밀도가 건식 산화보다는 낮다. 다시 말하자면 산화막의 질이 떨어진다는 것이다.

산화막 사이즈가 다른 것이 왜 중요할까 라는 생각을 해보면, 많은 기업들은 더 작은 사이즈의 반도체를 만들기 위해 애쓰고 있고, 더 작은 사이즈의 반도체를 만드는 것이 곧 그 기업의 기술 경쟁력을 보여준다고 할 수 있다. 그렇게 하기 위해서 산화 방식을 조금 다르게 바꿔보며 산화막의 두께를 안정적이면서도 얇게 만드는 것이 중요하다. 산소 가스의 양을 보다 천천히 불어넣어 준다던가, 온도를 조절한다던가의 방법으로 산화막의 두께를 조절하여 최상의 조건을 찾고 있다.

사실 산화공정은 그렇게 중요한 파트는 아니다. 목적만 한 번 더 알아두자. 잘 만들어 놓은 실리콘 웨이퍼를 앞면만 갈아서 반짝반짝하게 만들어두었다. 이제 여기다가 가공을 하면 되는데, 가공 시 불순물이 들어와서 성능 저하를 일으킬 수 있기 때문에, 산화막을 형성시켜서 외부로의 불순물을 막는 공정이 바로 산화공정이다.

오늘은 여기까지!

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키워드에 대한 정보 반도체 산화 공정

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