[산화공정 / 확산공정] - 기본편

산화 공정이란?

: 쉽게는 산화 공정을 통해 산화막을 형성하는데 의의가 있다. 저번 포스팅에서 공부했던 여러 증착방식으로도 산화막을 증착 할 수 있지만, 이러한 열 산화 공정을 통해 열 산화막을 형성 할 수도 있다.

 

 

 

---

[산화막 형성 방법과 사용 이유]

 

: 열 산화막 형성은 총 두 가지 방식으로 나뉜다.

 

• 건식산화(Dry Oxidation)
• 습식산화(Wet Oxidation)

우리가, 증착을 통해 산화막을 쌓는 경우는 '증착' 이라고 하지만, 열을 가해 열산화막을 쌓는 경우에는 산화막이 '성장'한다고 표현한다. 따라서 이러한 성장속도는 습식산화의 경우가 더 빠른 특성을 보이는데, 빠르다고 좋을까? 아니다.

 

성장속도가 빠르다는 말은 그만큼 균일하게 성장하지 못한다는 말이기도하다. 그러한 이유로 전기적인 특성에서는 건식산화 방식이 더 유리하다.

 

열산화막을 이용하는 이유에는 크게 3가지가 있다.

 

1. 산화가 쉽다. (열만 가해주면 되니까)
2. 막질이 우수하다.
3. 우수한 절연체이다. (Energy Band Gap, EBG가 약 9eV)

현재 열 산화막을 이용한 공정은 대부분 MOSFET의 Gox 혹은 buffer/Liner/희생 산화막정도이다. 나머지 정교한 부분에 있어서는 CVD 방식을 주로 이용하는데 이는 공정단계에서 너무 고온을 사용하면 후속 공정들이 힘들어지기 때문이다. ( 후속 공정일 수록 공정 온도가 낮아야 한다는 반도체 계의 불문율 같은것이 있다고 한다...)

 

열 산화막의 성장 원리는 딜-그로브 모델을 통해 알아볼 수 있다.

 

딜-그로브 모델

내용이 복잡하다면 복잡할 수 있지만, 간단하다. 열산화막은 화학 증착 방식과는 다르게, 실리콘 웨이퍼 표면의 실리콘을 희생하면서 산화막으로 바뀌는 과정이다. 즉, 산화막이 생길수록 웨이퍼가 깍여 나간다는 뜻이다. 하지만 무한히 산화막이 쌓이는것은 아니다. 초반에는 확산을 통해 산소가스들이 웨이퍼 표면으로 들어가기 때문에 표면에서 일어나는 반응이 전체적인 반응의 속도를 결정하지만, 후반에는 산화막들이 이미 쌓여 있기 때문에, 표면에서 일어나는 반응 속도보다 산소 입자들이 확산해서 들어가는 속도가 더 느리기 때문에 확산 속도가 반응의 속도를 결정하게 된다. 이러한 이유로 위와 같은 포물선 영역의 그래프가 그려지게 된다고 이해하면 될 것이다.

 

추가적으로, 우리가 실리콘 결정방향을 (100)으로 선호하는 이유가 있다. 그 이유는, Si의 밀도가 가장 낮은 (100)을 사용해야 산화 되지 못한 실리콘들이 남아 Fixed Oxide Charge로 Defect을 만들어 낼 수 있기 때문이다. 추가적으로 더 많은 이유들이 있지만 심화과정에서 더욱 자세히 다루어 보도록 하겠다.

 

---

확산 공정이란?

: 확산의 개념을 먼저 알아야 한다. 확산은 다들 아시겟지만 물에 잉크를 떨어뜨린 그 장면을 생각하면 된다! 잉크가 물에 떨어지면 주변부로 순식간에 퍼져 나간다. 이는 고밀도 부분에서 저밀도 부분으로 액체나 기체 분자가 퍼져 나가는 현상을 의미한다. 이 현상을 이용한 공정을 확산 공정이라고 한다.

 

가장 중요한 부분은 확산공정은 이제 거의 사용하지 않는다는 점이다.

 

그럼 왜 공부하나? 싶을텐데 이걸 알아야 이온주입(Ion-implantation)을 개발하게 된 배경을 공부할 수 있기 때문이다.

---

[확산 공정 방법 및 원리]

: 확산 공정은 크게 선 확산과 후 확산으로 이루어진다. 우선 선확산을 통해 산화막을 성장시키고 그위로 쌓이는 자연 산화막이 생성된 산화막을 실리콘 아래쪽으로 확산을 통해 밀어내게 되면 후확산이 일어나서 실리콘에 등방성으로 확산이 된다. 예전에는 이 방법을 이용해서 N타입 혹은 P타입의 실리콘을 만들었다고 한다.

---

하지만, 위 방식으로는 앞서 설명한 바와 같이 고온에서 장시간 확산을 해야되고 이방성이 아닌 등방성의 확산이 일어나기 때문에 미세화에 적합하지 않다. 그래서 이를 보완하기 위해 이온주입(Ion-Implantation)을 통해 순수한 실리콘 결정에 도핑을 하여 Extrinsic Semiconductor(외인성 반도체)를 만들기 시작했다. 사실 모든 공정의 발달 순서와 목적을 보면 무조건 미세화(Scaling)이다. 점점 더 작은 면적에 높게 쌓아올리는것이 목적이기 때문에 그에 따라 공정기술들의 수준도 같이 올라와 줘야 한다... 대단해..

 

---

이번 포스팅에서는 간단하게 산화공정과 확산 공정에 대해 알아보았다.

 

다음 포스팅에서는 확산공정의 진화버전인 이온주입에 대해 공부해보고 정리해보도록 하겠다.

 

요즘 봄날씨라 아주 날이 좋지만 황사때문에 미세먼지가 많다고 하니 다들 마스크 쓰고 외출하시길 바래요.

 

환절기 몸 조심하세요 :)