[반도체 제조 공정 #2] 산화(Oxidation) 공정

산화(Oxidation) 공정

산화(Oxidation) 란?

기본적으로 산화는 산소와 화합하거나 수소를 상실하는 반응을 뜻합니다. 하지만 산소를 포함하지 않는 경우에도 전자를 상실하여 구성하는 원자의 산화수가 높아지는 반응에도 적용할 수 있습니다. 산화의 반대는 환원이며, 산화하는 동안 산화제는 전자를 얻고 환원제는 전자를 잃습니다. 산화 반응은 살아있는 유기체에서 에너지를 생산하는 데 사용될 수 있습니다. 예를 들면, 세포 호흡 중에 포도당은 산소 존재 하에서 산화되어 이산화탄소, 물 및 ATP(아데노신 삼인산)를 에너지원으로 생성합니다. 또한, 철이 녹이 스는 현상은 철이 공기 중의 산소와 반응하여 산화 반응을 하며 산화철이 형성되는 것입니다. 이처럼 산화는 생물학적 시스템과 비생물학적 시스템 모두에서 발생하는 일반적인 과정입니다.

 

 

반도체 제조에서의 산화 공정: 산화막(SiO₂)

앞선 포스팅에서 공부하였던 반도체의 기반이 되는 웨이퍼(Wafer)는 전기가 통하지 않는 부도체 상태입니다. 그래서 도체와 부도체의 성격을 모두 가진 ‘ 반도체 ’의 성질을 가질 수 있도록 만드는 작업이 필요합니다. 웨이퍼 위에 여러 가지 물질을 적층한 후 설계된 회로 모양대로 깎아내고, 다시 물질을 적층하고 깎아내는 작업을 반복하여 반도체를 만들게 됩니다. 산화 공정은  반도체 재료에 의도적으로 산소 또는 기타 산화제를 도입하여 재료 표면에  얇은 산화막(SiO₂)을 만드는 공정입니다. 산화막은 1. 회로와 회로사이에 누설전류가 흐르는 것을 차단하는 절연막 역할  2. 이온주입공정에서 확산 방지막 역할  3. 식각공정에서 필요한 부분이 식각 되는 것을 막아주는 식각 방지막 역할을 합니다. 즉, 산화 공정을 통해 형성된 산화막이 반도체 제조 과정에서 든든한 보호막 역할을 하게 되는 겁니다.. 미세한 공정을 다루는 반도체 제조 과정에서는 아주 작은 불순물도 집적회로의 전기적 특성에 치명적인 영향을 미치기 때문입니다.

 

산화 공정의 종류와 특징

산화 공정으로 웨이퍼에 산화막을 형성하는 방법에는 열을 통한 열산화(Thermal Oxidation), 산소(O₂) 또는 아산화질소(N₂O)와 같은 산화제를 포함하는 가스를 고온에서 반도체 재료 위로 통과시키며 산화제가 재료 표면과 반응하여 얇은 산화막을 만드는 화학적 기상 증착(CVD), 플라즈마 보강 화학적 기상 증착(PECVD), 전기 화학적 양극 처리 등 여러 종류가 있습니다. 그중 가장 보편적인 방법은 800~1,200 ℃ 의 고온에서 얇고 균일한 실리콘 산화막을 형성시키는 열산화 방법입니다. 열산화 방법은 산화 반응에 사용되는 기체에 따라 건식 산화(Dry Oxidation)와 습식 산화(Wet Oxidation)로 나뉩니다. 건식 산화는 순수한 산소만을 이용하기 때문에 산화막 성장속도가 느려 주로 얇은 막을 형성할 때 쓰이며, 전기적 특성이 좋은 산화막을 만들 수 있습니다. 습식 산화는 산소와 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 습식 산화를 통해 얻어진 산화막은 건식 산화를 사용한 것보다 약 5~10 배 정도 더 두껍습니다.

 

산화 공정에서 제어하는 파라미터(Parameters) 

산화 공정은 반도체 제조 공정에서 빠질 수 없는 중요한 단계 중 하나입니다. 산화 공정에서는 온도, 압력, 기체의 흐름, 시간, 도펀트(Dopant, 반도체에서 전기 전도도를 변화시키기 위해 의도적으로 첨가하는 불순물) 등의 다양한 파라미터를 조절하여 산화물의 성장 속도, 두께, 균일성(Uniformity) 등을 제어할 수 있습니다. 이러한 파라미터들을 신중하게 제어함으로써 원하는 전기적 특성을 가진 산화막을 형성할 수 있으며, 안정적인 성능을 보장할 수 있는 반도체를 만들 수 있습니다.

 

1. 온도: 산화 공정의 온도는 산화물 성장 속도와 균일성을 제어하는 ​​중요한 파라미터입니다. 빠른 산화물 성장을 위해서는 높은 온도가 필요하지만 과도한 열은 산화물 층에 결함을 일으킬 수 있습니다. 또한 실리콘 기판(Substrate)으로의 도펀트 확산에도 영향을 미칩니다.
2. 압력: 산화 가스의 압력 또한 산화물 성장 속도와 균일성에 영향을 미칩니다. 압력이 높을수록 성장 속도가 빨라지지만 산화막의 균일성이 악화될 수 있습니다.
3. 기체의 흐름: 산화 기체의 유속은 반응 챔버 내 산화 기체의 농도에 영향을 미치며, 이 또한 산화물 성장 속도 및 균일성에 영향을 미칩니다.
4. 시간: 산화 공정의 진행 시간은 산화층의 두께를 결정합니다. 공정 시간이 길수록 산화물 층이 두꺼워지고 시간이 짧으면 층이 얇아집니다.
5. 도펀트: 붕소 또는 인과 같은 도펀트는 산화물 층의 전기적 특성을 변경하기 위해 산화 공정 전이나 도중에 실리콘 기판에 주입될 수 있습니다.
6. 주변 환경 및 실리콘 기판의 품질과 청결도: 습기 또는 기타 오염 물질의 존재와 같은 산화 챔버 주위의 환경 조건과 실리콘 기판의 품질과 웨이퍼 표면의 청결도는 산화물 층의 품질과 균일성에 영향을 줄 수 있습니다.