[반도체공정] Oxidation(산화) (2)

 지난번에 Oxidation 공정에서의 변수들에 대해서 살펴보았습니다. 

[반도체공정] Oxidation(산화) (1) 에 이어서Oxidation에 대한 내용을 살펴보겠습니다. 

1) Native Oxide(자연 산화막)

 우선 앞의 포스트에서도 알아보았지만 Oxidation은 Si와 O2가 만나 생성이됩니다. 따라서 앞서 알아본 Wet 또는 Dry Oxidation의 과정을 거치지 않아도 공중에있는 산소와 미세한 반응을 일으켜 SiO2를 생성하게됩니다. Wafer를 외부에 놔둘경우 시간이 흐르면서 1n 정도의 SiO2가 생성된다고 합니다. 따라서 실제 Oxidation 공정시에는 이러한 Native Oxide를 제거해주기 위함과 Wafer(웨이퍼) 표면을 세척하기위해서 Cleaning 공정을 우선적으로 거치게됩니다.

2) Oxide 생성

 계속 나오는 이야기지만 Wafer의 Si와 반응하여 SiO2가 생성되게됩니다. 이 때 과연 얼마만큼의 Si가 소모되면서 SiO2가 생성되는지 알아야 원하는 만큼의 SiO2를 생성할 수 있을 것입니다.

<Growth of SiO2 from Si>

 처음 표면에 비해서 45%의 Si를 소모하고 55%의 SiO2를 생성하게됩니다. 예를들어 증착하고싶은 두께가 1u 라면 원래 두께에서 0.55u 정도 더 높게 증착이 됩니다. 따라서 원래 높이에서 1u를 더 높이고싶었다면 기준점을 1u 보다 높게 잡아주어야지 원래 높이에서 1u가 높게 증착될 수 있습니다. 

 그렇다면 산화막의 두께는 어떻게 알아낼 수 있을까요?? 마이크로, 나노 단위이기 때문에 얼만큼 쌓였구나를 그냥 보고서는 알 수가 없습니다. 하지만 그냥 보고서도 알 수 있는 방법이 아예 없는것은 아닙니다. 바로 Color Chart같은 색을 이용하는 방법입니다. 

<Color Chart>

Color Chart를 간단하게 보시면 두께별로 Wafer(웨이퍼)가 빛나는 색이 다른것을 보실 수 있습니다. 하지만 이는 눈대중으로 볼 수 있는 것이고 또, Color Chart는 이러한 색의 반복이 어느정도 두께마다 반복되기때문에 정확히 얼마나 증착되었나를 알 수는 없습니다. 따라서 Ellipsometer나 Nanospec, SEM, TEM 같은 장비들을 이용해서 좀 더 정화하게 측정할 수 있습니다.

3) Oxide의 용도

 그렇다면 이러한 SiO2를 만드는데 변수도 많고 두께도 계산해야하고 할 일이 많은데 왜 산화막이 필요한 것일까요?? 몇 가지 용도를 알아보겠습니다.

 (a) Isolation

  소자간 격리에 이용됩니다. 예를들어 여러개의 트랜지스터를 만들어야 할 때 양 옆의 TR 둘이 붙어있으면 안되고, 또 서로 전기적으로 영향을 받아서는 안되기 때문에 산화막으로 이 둘을 분리시켜 줍니다. 하지만 여기에는 약간의 문제점이 있었습니다. 다음을 보시겠습니다.

<출처 : https://commons.wikimedia.org/wiki/File:LOCOS_process_DE.svg>

 A지역과 B지역을 Isolation(고립) 시켜주려고 합니다. 현재 산화막은 중간의(갈색) 부분이며 Isolation을 시켜주기위해 가운데에만 산화막을 만들어주기위해 가운데만 Each(에치 - 깍기)가 되어있습니다. 그럼 산화막이 쌓이면 다음과 같이 나타나게 됩니다.

<출처 : https://commons.wikimedia.org/wiki/File:LOCOS_process_DE.svg>

 산화막이 증착되면서 기존에 있던 틈새의 산화막도 약간 증착되면서 양옆이 들려지게 됩니다. 이러한 공정을 LOCOS(Local Oxidation of Silicon)라하며 양옆이 들린부분을 새의 부리 같다하여 Bird's beak이라고 부릅니다. 이 LOCOS 공정을 이용하면 Isolation은 이루어질 수 있으나 Bird's beak이 문제가 되는데요 바로 가용할 수 있는 Active영역이 줄어들게 되기 때문입니다. 다음을 보시면 이해가 되실 겁니다.

 Bird's beak이 생기지 않는다면 Active 영역이 더 넓어질 수 있기 때문에 소자의 배치에도 유리해 질것입니다. 또한 LOCOS공정을 하는동안 고온의 열을 받으므로 다양한 문제점들이 생길 수 가 있습니다. 따라서 LOCOS공정은 최근에는 사용되고 있지 않습니다.(작은 공간에 더 많은 것들을 집어넣기 위해서 발전하고 있는데 Active 영역이 뺏기면 안되니까요!) 따라서 최근에는 STI(Shallow Trench Isolation)이라는 공정을 사용하게 됩니다. STI 공정은 다음과 같습니다.

<출처 : http://www.iue.tuwien.ac.at/phd/hollauer/node7.html>

 Isolation을 위해 Each(에치)를 진행한다음 CVD(Chemical Vapor Deposition)을 이용해서 SiO2를 증착시키게됩니다. Deposition 방식은 Si 기판을 사용하지 않고 증착되기 때문에 Bird's beak 현상이 없이 위와같이 증착이 가능합니다. 즉, Active 영역을 넓게 보존할 수 있습니다. 또 depostion 방식은 기판의 Si 결합고리를 끊어 반응을 일으키는것이 아니기 때문에 Oxidation보다 저온의 환경에서 공정이 가능하므로 고온으로인한 문제점들을 막을 수 있습니다.(하지만 산화막의 질은 떨어질 것입니다) 따라서 최근의 경우에는 STI 방식을 많이 이용합니다.

 간단하게 용도까지 알아보았습니다. 그럼 다음 포스트에서 실제 과정을 통해서 Oxidation(Thermal Oxidation) 을 알아보겠습니다.