반도체 산화공정(Oxidation)

 실리콘(Si)이 가장 보편적인 반도체 물질로 사용되는 여러 가지 이유 중 공정 관점에서 가장 중요한 점은 안정된 구조의 산화물(SiO2) 형성이 가능하다는 것이다. SiO2는 우리가 흔히 모래에서 볼 수 있는 석영과 같은 물질로, 절연성이 좋은 부도체인 동시에 불순물로부터 Si를 보호하는 양질의 마스크 역할을 할 수 있다. 또한 고온의 산소 분위기에서 성장시킨 열 산화막은 계면 특성이 우수하다. 이러한 특성 때문에 현대 반도체 기술의 기본 소자인 MOS 소자에 양질의 게이트 절연막으로 사용할 수 있고, 산화공정은 현대 반도체 기술이 가능하게 만든 핵심 공정이라 할 수 있다.

1. 열 산화막의 특성과 역할

 열 산화막은 식각 공정에 의해 쉽게 선택적으로 제거된다. SiO2는 불화수소산에 쉽게 녹지만 Si는 전혀 식각이 되지 않기 때문에 습식식각에 의해 쉽게 패턴을 형성할 수 있다. 반도체 초창기에 선택비가 좋은 습식식각 특성은 반도체 소자 제작을 쉽게 할 수 있는 대단히 큰 장점이었다. 도펀트(Dopant)를 실리콘 내부로 확산 또는 이온 주입할 때 특정 부분에만 선택적으로 할 필요가 있다. 반도체 집적 공정에 주로 쓰이는 붕소(B), 인(P), 비소(As) 등은 실리콘에서의 확산 속도가 SiO2에서보다 훨씬 크다. 이 차이를 이용하여 산화막 패턴을 확산 마스크로 사용해 실리콘이 노출된 부분만 도핑하여 원하는 소자를 만들 수 있다. 반면 갈륨(Ga)의 경우는 확산 속도가 실리콘에서 더 느리기 때문에 반도체 도펀트로 사용하지 않는다. 산화막은 비저항이 매우 높은 절연체이다. 실리콘을 열산화시켜 산화막을 형성하는 경우, 실리콘과의 계면 특성이 매우 우수하여 MOS 소자의 게이트 산화막(Gate Oxide)으로 사용된다. 또한 누설전류가 적어서 초기 DRAM의 커패시터(Capacitor) 유전막으로도 사용되었다.

2. 산화막 성장

 실리콘 웨이퍼는 공기 중에만 노출되어도 10Å 정도의 자연산화막이 형성된다. 그러나 반도체 소자는 보다 두꺼우면서도 품질이 좋은 산화막을 필요로 한다. 이를 얻기 위해서 900~1200도 정도의 고온에서 산소 부위기를 만든 후 열산화 공정을 진행한다. 이와 같이 실리콘과 산소를 반응시켜 실리콘 산화막을 형성하는 것을 건식산화(Dry oxidation)라고 부른다. 반면에 산소 대신에 수증기를 포함한 분위기에서 열산화 시키는 방법도 있는데, 이경우 습식산화(Wet Oxidation)라고 부른다. 열산화는 실리콘 원자와 산소 원자가 결합하는 것이다. 산소분자가 산화막을 통해 확산하여 계면에 도달하여 산화반응이 계속 일어난다. 보통 습식산화의 산화속도가 건식산화보다 더 빠르다. 건식산화 공정은 산화속도가 느리지만 절연막 품질이 습식산화막 대비 우수하기 때문에, 고품질의 얇은 산화막이 필요한 경우에는 건식산화 공정을 사용한다. 반면 두꺼운 산화막이 필요한 경우에는 습식산화 공정을 사용한다. 습식산화막의 특성을 개선하기 위해 짧은 건식산화 공정을 습식산화 공정의 앞, 뒤에 추가하는 Dry-Wet-Dry의 3단계 산화공정도 보편적으로 사용되고 있다. 실리콘의 산화공정은 산화제가 산화막 표면에 도달하고 산화막에 용해되는 과정과 산화막을 통해 산화제가 확산하는 과정, 또 실리콘 표면에 도달한 산화제가 실리콘과 반응하여 실리콘 산화막으로 바뀌는 과정이 정상 상태(Steady State)를 이루는 상태이다. 습식산화가 건식산화보다 산화속도가 빠른 이유로 SiO2 내에 산화제의 용해도 차이를 말했는데, 산화막을 통해 산화제가 확산하는 과정이 높아져서 산화속도가 빨라진다. 산화공정의 초반에는 선형적으로 산화막의 두께가 증가하다가 일정 시간 이후에는 기울기가 줄어들면서 성장 속도가 감소한다. 초반에는 산소가 공급되는 대로 반응이 일어나기 때문에 성장속도가 빠르고 선형적으로 산화막 두께가 증가하지만, 일정한 두께 이상의 산화막이 성장되게 되면 산소 소스가 생성된 산화막을 확산한 후에 실리콘과의 계면에서 반응이 진행되기 때문에 성장속도가 느려지게 된다. 그렇기 때문에 일정한 두께 이상의 산화막을 필요로 하는 경우 산화공정은 시간이 오래 걸리기 때문에 사용하지 않고 증착공정으로 산화막을 형성한다.

3. 열 산화막 성장에 영향을 미치는 요인

1. 산소의 분압/온도
 산화공정은 산호의 공급과 확산 그리고 반응의 단계에 의해 진행되기 때문에 산화막의 성장은 산소의 분압이 클수록 온도가 높을수록 증가하게 된다. 특히 온도는 산호의 확산에 지배적인 영향을 주기 때문에 산화막의 두께에 가장 큰 영향을 주게 되는 요소가 된다.
2. 산화 방식(건식식각법/습식식각법)
 습식식각이 건식식각에 비해 빠르게 진행된다. 산화 공정의 초반단계를 제외하면 대부분 확산에 의해 반응이 지배되는데 반응을 위한 많은 산소 소스가 공급될 수 있기 때문에 산화막의 성장이 빨리지게 된다.
3. 실리콘 결정 방향
 실리콘의 결정 방향에 따라서도 산화속도가 달라지게 되는데, 실리콘 결정 방향에 따른 산화속도는 평면 형태의 소자 구조에서는 크게 문제가 되지 않지만, 실리콘의 다른 방향의 면이 드러난 상태에서 산화 공정을 진행할 경우 두께의 차이를 초래하게 된다.

4. 산화공정장비

 열산화의 온도의 정확도가 유지되는 산화로(Furnace)에서 진행된다. 석영 튜브를 둘러싼 열 코일에 흐르는 전류를 제어하여 석영 튜브 내의 공간을 일정한 온도로 유지하고, 이런 방식으로 공정이 진행되는 공간 전체를 일정한 온도로 가열하는 방식을 Hot-Wall 방식이라고 한다.