[Ep. 2] 산화 공정(Oxidation)

 앞선 글을 통해 우리는 웨이퍼 제조 공정에 관한 각종 공정들과 Czochralski Method에 관해서도 알아보았습니다. 

(이전 글을 보고 싶으시다면)

[Ep. 1] 웨이퍼 제조 공정(Wafering)

 

2. 산화 공정(Oxidation)

 웨이퍼 제조 공정이 집을 짓기 전 땅을 고르고, 기초공사를 진행하는 작업이라면 앞으로의 공정들은 잘 다진 땅 위에 집을 짓는 과정입니다. 완성된 실리콘 웨이퍼를 반도체 제조 시설로 전달하여 웨이퍼 위에 반도체 공정을 만들기 시작할 것입니다. 
 
 산화란 물질이 산소와 화학적으로 반응해 산소 화합물을 만드는 현상입니다. 철(Fe)이 산소와 만나 녹이 스는 것이 대표적인 산화 반응이며, 이전 글에서 모래에 존재하는 Si도 SiO2로 존재한다고 언급한 적이 있습니다. 이전에는 순수한 Si를 얻고 싶어 고온의 환경에서 각종 반응을 진행하였는데 왜 다시 산화를 시키려고 하는 것일까요? 그 이유를 알기 위해서는 반도체의 간단한 메커니즘을 알아야 합니다.
 
 반도체는 전자의 흐름을 통해 0과 1을 오가며 복잡한 연산을 수행합니다. 전기가 흐르지 않으면 0, 전기가 흐르면 1로 표현되는 것입니다. 이때 서로의 영역을 전자가 침범하여 전기 신호가 잘못 전달되면 큰 오류가 발생할 수 있으므로, 전자가 이동하여야 할 곳과 이동하지 말아야 할 곳을 명확히 구분해줘야 합니다. 그래서 전자가 우리가 원하는 회로로만 흐를 수 있도록 반도체 소자 내 또는 반도체 소자 간에 산화막을 형성하여 전자의 흐름을 차단하는 것입니다. 
 
 산화 공정에서 웨이퍼 위에 산화막을 형성하기 위해서는 Si, 산소와 고온의 열이 필요합니다. 

NMOSFET

 
 SiO2(이산화규소)는 절연층으로 다양한 곳에 활용됩니다. 그 중 세 가지 예시만 살펴보도록 하겠습니다.
 

*후에 MOSFET에 관한 글도 올리도록 하겠습니다. 지금은 왼쪽 그림과 같은 구조의 반도체 소자로 생각해주세요.

 

1) STI(Shallow Trench Isolation)

 하나의 반도체 안에는 수많은 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 소자가 들어갑니다. 그리하여 수많은 MOSFET 소자 간 절연을 위한 SiO2 절연막이 필요하며, 이를 STI(Shallow Trench Isolation)라고 부릅니다.

2) ILD & IMD

 웨이퍼 표면에는 반도체 소자들이 빼곡하게 채워져 있으므로, 표면에 전선을 배치하면 전기적 연결이 잘못 형성되기 때문에 전선을 위한 층인 배선층을 반도체 소자 위로 쌓아올립니다. 이때, 반도체 소자 위층에 생긴 첫 번째 배선층(아랫그림에서 빨간색 빗금 영역)과 웨이퍼 표면을 절연하기 위한 SiO2 절연막이 필요하고, 이를 ILD(Inter-Layer Dielectric)라고 합니다. ILD는 층간 절연뿐 아니라 소자의 전극(MOSFET이라면 소스, 드레인, 게이트)간의 절연 역할도 합니다.

첫 번째 배선층과 웨이퍼 표면 사이를 절연하기 위해 이산화규소로 ILD(보라색 층)를 형성하였다.

 
 복잡하게 설계된 회로를 한정된 면적 내에 구현하기 위해서는 더 많은 배선층이 있어야 합니다. 이러한 배선층 사이에도 절연을 해줘야 하는데 이때 사용하는 이산화규소 절연막을 IMD(Inter-Metal Dielectric)이라고 합니다.

배선층 사이를 절연하기 위해 이산화규소로 IMD를 형성하였다.

 
 실리콘 웨이퍼를 산화시킬 때 산소를 공급하는 방식은 크게 두 가지로 나눌 수 있습니다. 하나는 산소 기체를 이용하여 산소를 공급하여 산화시키는 건식 산화(Dry Oxidation)와 다른 하나는 수증기(H2O)를 공급하여 산화시키는 습식 산화(Wet Oxidation) 방식입니다. 건식 산화와 습식 산화를 통해 형성된 산화막 모두 이산화 규소로 동일한 물질이지만, 그 특성에는 차이가 있습니다. 아래 표를 통해 건식 산화와 습식 산화가 어떤 차이가 있는지 살펴봅시다.

건식 산화(Dry Oxidation)

습식 산화(Wet Oxidation)

 
 산화막 성장 속도는 습식 산화막이 건식 산화막 보다 5~10배 더 빠릅니다. SiO2에서 H2O의 용해도가 O2보다 1000배 크고, 습식의 경우, H2O에 직접 접촉시키는 방식이므로 실리콘 원자에 더 빠른 속도로 더 많은 양의 산소 원자를 공급할 수 있기 때문입니다. 하지만 습식 산화는 성장 속도가 빠른 만큼 이산화규소의 밀도가 낮은 반면, 건식 산화는 속도가 느린 대신에 이산화규소의 밀도가 높게 형성되어 절연 특성이 뛰어납니다. 극단적으로 생각해보면, 마치 우리가 어렸을 적 배웠던 화강암과 현무암과 같이, 화강암은 마그마가 천천히 식으며 형성되어 빽빽하고, 현무암은 빠르게 식으며 기체가 빠져나가 구멍이 송송 나아있는 것으로 생각하면 편할 것 같습니다.

건식 산화와 습식 산화 비교

 이런 차이로 인해 두 방식으로 성장된 산화막은 그 활용도가 다릅니다. 얇은 두께를 유지하면서 좋은 절연 특성을 가지려면 건식 산화(얇은 두께는 절연 측성이 좋은 건식 산화로도 충분히 빠르게 형성 가능), 두꺼운 두께의 산화막 층은 습식 산화로 빠르게 형성하여 두께와 절연 특성을 모두 취하는 방식이 효과적입니다.
 
 산화공정도 더 깊이 들어가면 어려운 내용이 많이 나오지만, 이번 글에서는 여기까지만 담아보도록 하겠습니다. 다음에 기회가 된다면 심화편으로 부족한 부분을 채울 수 있었으면 좋겠습니다. 다음 글은 반도체 8대 공정의 세 번째 공정인 포토공정(Photolithography)입니다. 

[Ep.3] 포토 공정(Photolithography)

 

[교재]

 

해당 글은 왼쪽 책을 교재로 하여 제작된 글입니다.

반도체 산업에 관해 더 자세한 내용을 살펴보고 싶으신 분은

가까운 도서관이나 서점을 통해 책을 봐주세요.

 

저자: 박진성
출판: 티더블유아이지
2023.02.06