[Ep. 1] 산화 실습(Oxidation Experiment) - 산화 공정 변수

산화(Oxidation)

 : 반도체 공정에서 Si 기판 위에 산화제와 열에너지를 공급하여 다양한 용도로 사용되는 SiO2 막을 형성하는 공정
 
 반도체 공정에서 Si을 사용하는 이유가 SiO2의 다양한 활용도 때문이라는 말이 있을 정도로 산화막은 반도체에서 중요한 역할을 수행하고 있습니다. 우선 산화 공정에 전반적인 내용을 학습하기 이전에 어떠한 산화 공정 변수가 존재하는지 학습해보도록 하겠습니다. [반도체기본공정교육 - 실습] 이지만, 공정교육에서도 이론을 학습한 후, 실습을 진행하기 때문에 실습은 다음 글을 통해 공유해드리고자 합니다.  산화 공정을 처음 접하시는 분이나, 건식 산화와 습식 산화, 산화막 용도와 같은 내용을 얻고 싶은 분들은 아래 글을 참고하신 후, 해당 글을 보면 더욱 깊이 이해할 수 있을 것입니다.

[Ep. 2] 산화 공정(Oxidation)

 

산화 공정 변수

1) 산화제(Oxidants)

 산화 공정에서 산화제는 H2O와 O2 입니다. 산화제로 H2O를 사용하면, 습식 산화(Wet Oxidation)인 것이고, 산화제로 O2를 사용하면, 건식 산화(Dry Oxidation)인 것이죠. 

 
이전 산화 공정 글에서 언급한 것처럼 습식 산화가 건식 산화보다 산화되는 정도가 약 7배 정도 빠르다고 합니다. 그렇다면, 습식 산화가 건식 산화보다 산화 속도가 빠른 이유는 무엇일까요? SiO2에서 H2O의 용해도가 O2 보다 1000배 정도 크기 때문입니다. 건식 산화에 경우, 속도가 느린 대신 밀도가 높고, 균일한 산화막을 성장시킬 수 있어 성능에 큰 영향을 미치는 Gate의 산화막을 형성할 때, 건식 산화를 이용하여 생성합니다. 습식 산화는 산화막을 두껍고 빠르게 형성할 수 있는 대신 밀도가 낮고 건식 산화에 비해 전기적 특성이 떨어지는 산화막을 형성하기 때문에 Passivation과 같은 산화막을 형성할 때 사용합니다. 
 

2) Wafer Crystal Orientaion

웨이퍼 제조 공정 글에서 Wafer는 Si Crystalline이라고 설명드린 적 있습니다. Si의 격자 구조는 Diamond Structure로 아래와 같은 구조를 갖습니다. 이때 Wafer는 세 가지 결정 방향을 가지고 있습니다. (100), (110), (111) 입니다. 이렇게 좌표평면을 이용하여 결정 방향을 정의하는 것을 Miller Index라고 합니다. 

왼쪽: Si - Diamond Structure, 오른쪽: 왼쪽에서부터 순서대로 (100), (110), (111)

 
 Wafer의 결정 방향에 따라 산화 공정에 어떤 영향을 미칠까요? Wafer의 면밀도(단위 면적 당 Si 원자 개수)가 클수록 산화 속도가 빨라진다고 알려져 있습니다. 산화는 결국 화학 반응을 통해 이루어지는 것이기 때문에 Si와 산소가 많이 만나게 될수록 반응이 더욱 잘 일어나는 것이겠죠.  아래 그림처럼 가정을 해봅시다. Lattice constant를 a로 하면, 그림과 같은 원자 배치를 가지게 될 것입니다. 이때, 면적을 S, 면밀도를 U로 두고 간단한 계산을 해보겠습니다.

 이렇게 간단한 계산을 통해 (111) 결정 방향의 Si가 (100) 결정 방향의 Si 보다 산화 속도가 빠름을 알 수 있게 되었습니다. 그렇다면, (100) Wafer 보다 (111) Wafer를 더 선호할까요? 그렇지는 않습니다. 그 이유는 Dangling Bond 때문인데요. 

 Si는 최외각 전자 4개를 가지고 공유결합을 이루고 있는데 표면에 위치한 Si는 표면 밖으로는 Si 원자가 없기 때문에 공유결합을 이루지 못하는 불안정한 상태가 됩니다. 이렇게 공유결합을 하지 못하는 최외각 전자를 Dangling bond라고 합니다. Dangling bond는 전자가 부족한 불안정한 상태이기 때문에 채널에 Dangling bond가 존재하게 되면 전자가 Dangling bond에 갇히게 되어 전자 원활하게 이동하기 어렵기 때문에 소자의 전기적 특성에 안 좋은 영향을 미치게 됩니다. 그리하여 dangling bond 영향이 가장 적은 (100) Wafer를 주로 사용한다고 합니다.
 

3) Dummy Wafer(더미 웨이퍼)

Wafer Boat

 
 공정 진행할 때, 여러 Wafer를 한 번에 처리하기 위해 Boat를 이용하여 틈에  Wafer를 넣어 고정시켜 공정을 진행시킵니다.  이때, 산화 공정 시 Furnace로 산화제를 Gas 상태로 주입시키는데 Gas가 주입되는 방향에 따라 Wafer 마다 산화가 되는 정도가 달라, Uniformity에 영향을 미치게 됩니다. 그러한 영향을 줄이기 위해 Dummy Wafer를 배치하며, 산화제와 접촉이 적은 영역인 뒷쪽은 온도를 높이고, 중간 영역은 적당한 온도를 유지시키고, 산화제와 접촉이 많은 영역인 앞쪽은 온도를 보다 낮추는 3 - Zone Heating or 5 - Zone Heating과 같이 Temperature Gradient를 주고 있습니다.

 

4) Doping Concentration

확산에 의한 도핑이든 이온 주입을 통한 도핑이든 Impurity를 도핑하게 되면, Si의 결합 에너지가 감소하기 때문에 산화막이 더욱 두껍게 형성할 수 있습니다. 이를 사용하는 예는 이온 주입 공정에서 알아보도록 하겠습니다. 
 

5) Surface Status(표면 결함)

 

 산화 반응은 화학 반응이기에 반응물에서 생성물로 변하기 위해서는 활성화 에너지(Activatoin Energy)를 넘어야 합니다. 그런데 몇몇 웨이퍼에 예기치 못한 표면 결함이 존재한다면 그 웨이퍼의 활성화 에너지가 줄어들기 때문에 산화막 성장 속도가 증가하여 웨이퍼 간 균일도가 떨어질 수 있습니다. 
 

6) Pressure

 
 산화제인 산소의 압력이 증가하면 산화막 성장 속도 또한 증가하게 됩니다.
이는 이상기체상태방정식을 통해서 알아볼 수 있습니다. 산화 공정에서 Furnace의 부피와 온도는 고정된 값이므로, 압력이 상승한다는 것은 n(mole)이 증가한다는 것입니다. 그렇기 때문에 산소와 결합하는 Si의 수가 더욱 증가할 것입니다.
 
 

7) Temperature

더운 여름에 음식이 빨리 변질되듯이 온도가 높아지면 물질의 운동이 활발해집니다. 그리하여 활성화 에너지를 넘어가는 상태의 입자들이 증가하여 산화막 성장률이 증가하게 됩니다.
 

8) Time

공정 시간을 늘릴 수록 산화를 더욱 많이 시킬 수 있습니다. 이는 당연한 결과일지도 모르겠네요. 하지만 여기에는 디테일적인 요소가 존재합니다. 이는 Deal-Grove Model에서 소개해드리도록 하겠습니다.