인트로
안녕하세요. 공대아빠입니다.
지난 포스팅에 이어 반도체 8대 공정의 2번째로 웨이퍼 표면을 보호하는 산화공정에 대해 알아보겠습니다.
반도체 8대 공정
반도체에 조금 관심이 있는 분이라면 ‘반도체 8대 공정’이라는 말을 들어 보셨을 겁니다.
반도체 8대 공정이란 반도체가 완성되기까지 거치는 수백 번의 과정을 크게 8개의 공정으로 구분한 것으로 아래의 순서로 진행됩니다.
#2. 산화공정(Oxidation)
1. 웨이퍼의 보호막과 절연막 역할을 하는 ‘산화막(SiO₂)’
지난 포스팅에서 모래에서 추출한 실리콘을 반도체 집적회로의 원재료로 탄생시키기 위해서는 일련의 정제 과정을 통해 잉곳(Ingot)을 만들고, 균일한 두께로 절단한 후 연마의 과정을 거쳐 반도체의 기반이 되는 웨이퍼를 만든다고 알려드렸습니다.
[반도체 8대 공정] #1. 웨이퍼 제조 공정에 대해 알아봅니다.
인트로 안녕하세요. 공대아빠입니다. 오늘은 반도체 8대 공정에 대해 알아보겠습니다. 지금은 반도체 관련 업무를 하고 있지 않지만, 대학교에서 전자공학 전공할 때 너무 해보고 싶었던 직업이
wongyber.tistory.com
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 필요합니다. 이를 위해 웨이퍼 위에 여러 가지 물질을 형성시킨 후 설계된 회로 모양대로 깎고, 다시 물질을 입혀 깎아내는 공정을 수백번 반복하면 최종 웨이퍼가 생산이 됩니다.
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.
2. 산화막 형성 방법
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.
그러나 웨이퍼를 공기중에 노출시켜서 산화막을 형성한다면, 시간도 오래걸리고 불순물도 많이 함유가 될 것입니다.
이를 보다 순수하고, 효과적으로 빠르게 웨이퍼에 막을 입히는 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 나뉩니다.
건식산화는 순수한 산소(O₂)만을 이용하기 때문에 산화막 성장속도가 느려 주로 얇은 막을 형성할 때 쓰이며, 전기적 특성이 좋은 산화물을 만들 수 있습니다.
습식산화는 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.
3. 산화공정 장비 설명
아래의 그림은 실제 FAB에 설치되는 장비사진과 간략히 도식화한 산화 장비 그림입니다.
장비에는 기체 투입구가 있는데, 해당 주입구에 반응시키고자 하는 기체를 주입해 줍니다. 주입된 기체는 내부에서 가열되고, 웨이퍼와 만나서 반응하게 됩니다. 투입된 웨이퍼 안에는 일부 더미 웨이퍼가 끼워져 있으며 더미 웨이퍼는 기기 구조상 발생할 수밖에 없는 기기 양 끝 웨이퍼들의 반응속도 차이를 메워줄 목적으로 투입됩니다. 수십 개의 웨이퍼를 일제히 투입한 뒤 반응시키기 때문에 산화 과정은 처리 속도가 상당히 빠른 축에 속합니다.
부록 : 여러가지 물질이 증작된 웨이퍼 사진, 증착된 물질에 따라 색상이 다릅니다. 신기하죠~
Nitride : 실리콘 나이트라이드 (질화 규소) - Silicon Nitride (Si3N4)
a-Si : 아몰퍼스실리콘 (Amorphous Silicon)
PTEOS : TEOS(Tetra Ethyl Ortho Silicate), (Si(OC2H5)4)
Oxide : 산화물
ACL : 아몰퍼스카본(Amorphous Carbon Layer)
PR : 포토레지스트
마무리
오늘은 반도체 8대 공정 중 산화공정에 대해 알아보았습니다.
다음 포스팅에서는 산화막이 형성된 반도체 위에 반도체 설계 회로를 그려 넣는 포토공정에 대해 포스팅하겠습니다.
포스팅 읽어주셔서 감사합니다.
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