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전공지식/반도체지식

반도체 8대공정 3탄, 산화공정(Oxidation) 개념정리

by 누들누들이 2019. 8. 28.

반도체 8대공정 3, 산화공정(Oxidation) 개념정리

 

산화공정이란 웨이퍼 공정을 거쳐 만들어진 웨이퍼에 산화막인 SiO2를 형성하는 공정을 뜻합니다.

산화막을 웨이퍼에 입히는 이유는 공정 시 발생하는 Particle로부터 웨이퍼 표면을 보호하기 위함입니다.






- 산화공정 변수


반도체 8대공정 3탄, 산화공정(Oxidation) 개념정리



1. Oxidants(산화제)

Oxidant 종류로는 크게 두 가지가 있습니다. 바로 (H2O)산소(O2)입니다.

900~1200에 달하는 온도인 Furnace에 웨이퍼를 넣고 수증기나 산소를 주입하는 과정을 통해 산화막을 형성할 수 있습니다.

여기서 사용하는 Oxidant에 따라 Wet OxidationDry Oxidation으로 나누어집니다.

반도체 8대공정 3탄, 산화공정(Oxidation) 개념정리

반도체 8대공정 3탄, 산화공정(Oxidation) 개념정리






반도체 8대공정 3탄, 산화공정(Oxidation) 개념정리

2. 웨이퍼 결정 구조

웨이퍼의 결정 구조는 위 사진과 같이 100, 110, 1113가지가 있습니다.

111의 경우에 표면에 Si가 다른 결정 구조보다 더 많이 있기 때문에 산화막 형성이 빠릅니다.






반도체 8대공정 3탄, 산화공정(Oxidation) 개념정리

3. Dummy Wafers

위 사진과 같이 웨이퍼를 세팅한 후 Furnace로 들어가게 되는데 맨 앞과 뒤에 있는 웨이퍼를 Dummy Wafer라고 부릅니다. 산화막을 형성하기 위해 Oxidant를 주입할 때, 정면으로 받거나 가장 나중에 받게 되는 웨이퍼 간에 산화정도가 다르게 됩니다. 이를 Dummy wafer을 활용하여 Furnace Oxidant의 균일도를 맞추어줌으로써 어느정도 균일하게 Oxidation 할 수 있습니다.


4. Doping Concentration

도핑농도와 산화막 두께는 정비례 관계에 있습니다.

 

5. Surface Status(표면 결함)

표면 결함이 발생하면 활성화 에너지가 낮아져서 산화막 성장 속도가 증가합니다.

 

6. Pressure

Oxidant를 주입할 때 Pressure를 높이면 산화막을 보다 빠르게 성장시킬 수 있습니다.

 

7. Temperature

온도가 올라갈수록 에너지 공급이 증가하여 산화막 성장률이 증가합니다.

 

8. Time

Linear growth -> parabolic growth : 시간이 흐름에 따라 선형적으로 증가하던 산화막이 점점 수렴하게 된다는 의미입니다.







- 산화공정 과정

반도체 8대공정 3탄, 산화공정(Oxidation) 개념정리

1. Cleaning 종류 및 과정

웨이퍼 공정을 통해 만들어진 웨이퍼 상에는 이미 산화막이 형성되어 있습니다(Native Oxide).

그러나 이 산화막은 질이 좋지 않으므로 Cleaning 과정을 통해 etching 해준 후 Thermal processOxidation을 해주어야 합니다.

이 때, etching 여부산화막이 친수성이라서 D.I Water에 넣었다가 꺼냈을 때

물방울이 떨어지는 것을 보고 etching 유무를 확인할 수 있습니다.

 

* SPM Cleaning(Piranha) : 황산과 과산화수소를 이용하여 유기물과 금속을 제거해줍니다.

- Rinse in D.I(de-ionized) water : 황산을 씻어낸다

- Diluted HF etchant (HF:D.I water = 1:10) : 산화막을 etching

- Rinse in D.I(de-ionized) water : HF를 씻어낸다

- Spin dry : Spinner를 이용하여 잔여 불순물을 제거한다

 

* APM Cleaning(SC-1) : 암모늄으Particles와 유기물을 제거해줍니다.

- Rinse in D.I(de-ionized) water : 암모늄 하이드로옥사이드를 씻어낸다

- Diluted HF etchant (HF:D.I water = 1:10) : 산화막을 etching

- Rinse in D.I(de-ionized) water : HF를 씻어낸다

- Spin dry : Spinner를 이용하여 잔여 불순물을 제거한다

 

* HPM Cleaning(SC-2) : 염산으로 금속을 제거해줍니다.

- Rinse in D.I(de-ionized) water : 염산을 씻어낸다

- Diluted HF etchant (HF:D.I water = 1:10) : 산화막을 etching

- Rinse in D.I(de-ionized) water : HF를 씻어낸다

- Spin dry : Spinner를 이용하여 잔여 불순물을 제거한다






반도체 8대공정 3탄, 산화공정(Oxidation) 개념정리

2. Oxidation vs Deposition(증착)

산화막을 형성하는 방법으로 Oxidation 뿐만 아니라 Deposition으로도 형성 가능합니다. 이 두 방식의 차이점은 다음과 같습니다. 높은온도(Oxidation)를 사용하느냐 낮은온도(Deposition)를 사용하느냐의 차이가 있습니다. 또한 위 그림에서 볼 수 있듯이 OxidationSi Substrate를 소모시키면서 산화막을 형성합니다. 반면에 DepositionSi Substrate 위에 SiO2를 단순히 증착하므로 Si Substrate가 소모되지 않습니다. 마지막으로 Oxidation좋은 질의 산화막을 형성하고 Deposition질이 좋지 않은 산화막을 형성합니다. 따라서 Etching시 빨리 제거가 된다는 단점을 가지고 있습니다.

 






반도체 8대공정 3탄, 산화공정(Oxidation) 개념정리

3. 측정기계 종류 및 차이점

산화막 측정기계로는 nanospec, ellipsometer / SEM(Scanning Electron Microscope), TEM(Transmission Electron Microscope)이 있습니다. nanospecellipsometer측정이 간편하고 단일 층 측정이 용이하고 후속 공정을 진행하는게 가능한 반면 얇은 박막에 대한 정확도가 떨어진다는 단점을 가지고 있습니다. SEMTEM 복수 층 측정이 가능하고 얇은 박막에 대한 정확도가 높은 반면 측정이 복잡하여 sample을 제작해야하고 후속 공정을 진행할 수 없다는 단점이 있습니다.

 






- 산화막의 용도


반도체 8대공정 3탄, 산화공정(Oxidation) 개념정리

1. 소자간의 격리 LOCOS, STI

산화막은 소자를 격리하는데 사용합니다. LOCOS 공정LOCal Oxidation of Silicon의 약자로 소자 간을 격리하기 위해 가운데에 etching을 시킵니다. 그 다음 산화막을 형성시키면 위 그림과 같이 기존에 있던 틈새의 산화막도 영향을 받으면서 양옆이 들려집니다. 이때 들려진 부분Bird’s beak이라고 합니다. Bird’s beak으로 인해 Isolation은 될진 몰라도 소자의 Active 영역이 줄어드는 단점이 있습니다.





반도체 8대공정 3탄, 산화공정(Oxidation) 개념정리

이를 개선하기 위해 최근에는 STI공정을 사용하고 있습니다. STI 공정이란 Shallow Trench Isolation의 약자로 ethcing한 부분에 산화막을 Deposition하는 과정이 차이가 있습니다. 앞서 설명드린 것처럼 Deposition으로 산화막을 형성하면 Si Substrate를 소모하지 않습니다. 따라서 Bird’s beak 현상을 개선하고 Active 영역을 보존할 수 있게 됩니다.






반도체 8대공정 3탄, 산화공정(Oxidation) 개념정리

2. Gate Insulator

Metal-Oxide-Semiconductor, MOS 구조에서 게이트 절연체로 SiO2를 사용합니다. 그러나 최근에는 공정단위가 초미세단위로 내려가서 산화막의 두께도 같이 얇아지게 되어 산화막이 Gate Insulator로써의 기능을 하지 못하게 됩니다. 그래서 최근에는 High-k(유전율이 높음) 물질인 하프늄 옥사이드Gate Insulator로 사용하고 있습니다. 따라서 게이트 전극으로 사용하던 Poly SiMetal로 바뀌었습니다.







반도체 8대공정 3탄, 산화공정(Oxidation) 개념정리

3. 각종 Layer로 활용

ILD(Inter Layer Dielectrics), IMD(Inter Metal Dielectrics), Passivation Layer(PN Junction을 보호하는 Layer)


4. Mask Layer

Photo공정이나 Ion Implantation시 산화막을 마스크로 하여 회로패턴을 새길 수 있습니다.

댓글4

  • 헬쓰라이프 2019.08.28 19:34 신고

    우와 반도체가 이렇게 복잡한 것인 줄 몰랐습니다.
    수십년간에 걸친 보배에 그만한 이론과 사연이 없을까마는
    반도체는 참으로 깊고도 깊군요. 감사합니다.^^
    답글

    • 누들누들이 2019.08.28 22:08 신고

      반도체 분야가 엄청 넓고도 깊더라구요.. 제가 포스팅하는 부분은 공정부분인데 시리즈 종료하면 반도체 통신관련 포스팅을 할 예정이랍니다.. 하하. 좋게 봐주셔서 감사합니다~

  • 반도체 공부중 2019.09.17 20:44

    우와 정말 자세하게 설명 잘해주셨네요.
    감사합니다!
    답글