[반도체공정] Oxidation(산화) (1)

 반도체 공정에서의 산화(Oxidation)를 간단히 정리하면 다음과 같습니다.

반도체 공정에서 실리콘(Si) 기판에 산화제(O2, H2O)와 열 에너지를 공급하여 절연막 등 다양한 용도로 사용되는 SiO2 막을 형성하는 공정이다.

 따라서 산화막은 Si가 산화제와 반응을 해야지 생성이 되게됩니다. 그럼 초기 반응을 보겠습니다.

<산화막 생성>

 다음과 같은 절차로 산화막인 SiO2가 생성되게됩니다. 이때 확실한 것은 초반에 산화제가 투입될 때에는 Si와 직접적으로 마주치므로 산화막의 생성이 빠르게 진행될 것입니다. 하지만 잠시 생각을 해보면 SiO2가 생성되기 시작하면 산화제는 직접 Si와 만나기가 어려워지므로 점점 SiO2의 생성이 어려워지게 될 것입니다. 따라서 후반에는 두께가 있으니 Diffusion(확산)에 의해서 산화가 이루어져 산화막(SiO2)가 만들어지게됩니다. 이경우는 분명 초반의 표면과 반응하는것보다 속도가 느리게 될 것입니다. 이를 그래프로 간단히 그려보면 다음과 같이 그릴 수 있습니다.

<산화막 그래프 시간 - 두께>

 그래프가 약간 이상하게 그려졌긴 하지만 처음에는 Si와 직접 반응하며(Reaction process) Linear하게 산화막이 생성이 되다가 두꺼워질경우 Diffusion에의해 확산이되므로 포물선 모양으로(Parabolic) 산화막의 두께가 증가할 것입니다. 간단하게 산화막의 생성에 대해서 살펴보았습니다. 그럼 산화막이 생성될 때 작용하는 요인(변수)들을 알아보겠습니다.

1) 산화제(Oxidants)

 앞서 말씀드렸듯이 대표적으로 쓰이는 산화제(Oxidants)는 O2와 H2O가 있습니다. O2는 기체고 H2O는 액체입니다. 따라서 산화(Oxidation)는 건식 산화(Dry oxidation)과 습식 산화(Wet Oxidation)으로 나뉘어 집니다. 각각이 어떻게 반응해서 산화막(SiO2)를 생성하는지 보겠습니다.

둘다 결과물로 SiO2를 만들어내지만 서로 다른점이 있습니다. 습식 산화(Wet Oxidation)은 빠르게 산화막을 생성할 수 있습니다. H2O의 용해도가 O2보다 10^3 배 정도 좋기 때문에 빠르게 산화막을 생성하기 때문입니다. 반대로 건식 산화(Dry Oxidation)은 Wet Oxidation보다 속도가 느리다고 할 수 있습니다. 그렇다면 산화막을 만들 때 빨리 만들 수 있는 Wet Oxidation이 좋을까요?? 답은 아닙니다!! 최근 반도체 공정은 점점 작아지고 있습니다. 재료를 적게쓰면 그만큼 이익이 나기 때문도 있고, 집적도가 높아져 성능도 올라가기 때문입니다. 따라서 산화막도 얇게 만들어주는 경우가 있습니다. 하지만 Wet Oxidation은 빠르게 만들어지기때문에 얇은 산화막을 만들 수 없습니다. 대략 10n 이하의 산화막을 만들기가 힘듭니다.(빠르게 만들어 지기 때문이죠) 또한 빠르게 만들어짐으로인해서 산화막의 질이 Dry Oxidation으로 만들어진 산화막보다 떨어지게됩니다. 따라서 Gate Oxide같은 중요한 부분은 질이 좋은 Dry Oxidation으로 꼭 만들어주어야 합니다.

<출처 : https://www.tf.uni-kiel.de/matwis/amat/elmat_en/kap_6/backbone/r6_2_1.html>

그래프를 살펴보면 비슷한 Oxide 두께를 가지고있을 때(y축) x축의 시간 축이 Wet Oxidation이 10배 정도 빠른것을 보실 수 있습니다.

2) Wafer Crystal Orientation(웨이퍼 결정 방향)

 Si로 만들어진 웨이퍼(Wafer)는 다음과 같이 여러가지의 결정 방향을 가지고 있습니다. 

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

 Si의 격자 상태가 맨 왼쪽의 상태일때 오른쪽의 보는 방법에 따라서 [100] [110] [111]로 나뉘어 집니다. 그럼 이 방향이 왜 산화와 관련이 되는지 알아보겠습니다. 대표적으로 100 과 111을 알아보겠습니다.

 표면이 각각의 결정 방향의 상태를 가지고있을 때 단면을 살펴보면 위와 같습니다. 이때 Si 원자가 동그라미로 표시했을때 우선 [100]을 살펴보겠습니다. 중앙에 하나의 원자와 모서리의 1/4을 합쳐 2개의 원자를 갖게됩니다. 다음으로 [111]을 살펴보겠습니다. 중간의 1/2짜리로 1개, 각 모서리를 합쳐 1/2, 가장 아래의 중앙의 1/2을 합쳐 [100]과 똑같이 2개의 원자를 갖게됩니다. 하지만 여기서 넓이를 따져보겠습니다. 한변을 a라 하면 각각의 넓이를 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

 루트 4가 2이므로 [100]의 면적이 [111]보다 크다고 할 수 있습니다. 하지만 면적안에 있는 Si 원자의 개수는 같으므로 [111]의 면밀도가 [100]의 면밀도보다 크다고 할 수 있습니다. 산화막을 만들때 Oxidation시 Oxidants(산화제)들은 Si와 반응하게 됩니다. 이때 같은 면적안에 원자의 개수가 더 많은 [111] 결정 방향이 초기 산화막을 생성하는 Reaction process시에 속도가 [100]보다 빠를것 입니다.

3) Doping concentration(도핑 농도)

 Doping 농도가 증가하면 Si의 격자 구조를 변화시켜 표면의 반응 속도가 증가하게됩니다.

<출처 : http://www.semitracks.com/newsletters/march/2015-march-newsletter.php>

800도에서 도핑 농도에 따라 산화막의 두께가 다른것을 볼 수 있습니다. 이때, 바로 밑에 나올 예정이지만 1100도와 같은 아주 높은 고온에서는 도핑 농도에 상관없이 고온으로인해 충분히 반응하므로 거의 비슷한 것을 확인할 수 있습니다.

4) Pressure(압력)

 O2의 압력이 증가하면 산화막의 성장 속도가 증가하게됩니다.

5) Temperature(온도)

 온도가 증가하면 에너지가 증가하기때문에 산화막의 성장 속도가 증가하게됩니다.

< 출처 : http://www.semitracks.com/newsletters/february/2015-february-newsletter.php>

우선 2가지를 살펴볼 수 있습니다. 앞서살펴보았던 [111]의 결정 방향을 가진 Si가 더 빠르게 산화막이 자라는것을 확인 할 수 있습니다. 다음으로 온도가 높아질수록 산화막이 빠르게 생성되는것을 볼 수 있습니다.

6) Time(시간)

 앞서 알아보았던 것처럼  Linear하게 증가하다 후에는 두께로인한 Diffusion에 의존하여 Parabolic한 성장 곡선을 보였습니다. 앞서 보았던 그래프들도 시간이 충분히 지나면 Parabolic한 형태를 나타낼 것입니다.

7) Surface Status(표면 상태)

 웨이퍼의 표면에 스크래치등 표면 결함이 있다면 활성화 에너지가 낮아지게되고 결합이 깨져있으므로 산화제와 반응이 더 활발하여 산화막의 성장 속도가 증가하게됩니다. 하지만 그 부분만 다른 부분에비해 산화막이 두껍게 쌓여질 것입니다.

8) Dummy Wafer(더미 웨이퍼)

 Dummy는 모형, 허수아비 같은의미를 가지고있습니다.(바보라는 뜻도 있습니다! 하하) Wafer를 Furnace안에 넣고 산화제(Oxidants)를 주입하면 기체를 정방향으로 맞는 초기 웨이퍼들과 기체가 빠져나가는 끝의 웨이퍼들은 고르게, 두께가 두껍게 산화막이 생성되지 않습니다. 따라서 Dummy Wafer를 앞 뒤로 몇 장씩 꼿아두어 산화막이 고르게 두께가 잘나올 수 있도록 합니다.

 Oxidation에서의 변수들에 관해서 살펴보았습니다. 다음 포스트에서 좀 더 자세히 알아보겠습니다.