2. 산화 공정) 반도체 산화 공정 (feat. 습식 산화가 빠른 이유)

왜  '실리콘'이 반도체에 사용이 되며, '신의 물질'이라고 하는지 아시나요?

 

실리콘의 장점은 크게 3가지입니다.

1. 모래의 주 성분으로 지구에 엄청 많습니다. 집 앞 놀이터에도 모래가 엄청 많죠. 따라서 가격이 엄청 쌉니다.

 

2. 적당히 큰 에너지 밴드갭을 가지고 있어, 높은 온도에서도 동작이 가능합니다.

 

3. 고품질의 실리콘 산화막, 절연막을 얻기 매우 용이합니다. 

그저 뜨거운 furnace에서 산소와 결합시키면 되니까요. 

GaAs 반도체는 산화물을 얻기 힘들어 발전이 어렵습니다. 

 

오늘 포스팅할 내용은 이 '3번', SiO2입니다. 기본적인 내용만 다루겠습니다. 

Si on SiO2가 특별한 이유

Si on SiO2가 특별한 이유는 다음과 같습니다. 

1. 실리콘에서 SiO2로 바꾸기 정말 쉽습니다.

2. 대부분 Etching 공정에서 잘 견딥니다.

3. HF를 이용하여 SiO2만을 선택적으로 녹일 수 있습니다. 

4. Si과 SiO2의 계면에서의 interface defect가 적습니다. 이로 인해 surface charge가 작아지기 때문에 트랜지스터 성능이 올라가게 됩니다. (Vth에 크게 영향을 안 주게 합니다.)

5. 수명이 깁니다. 

6. 부착력이 좋습니다.

7. 외부 물질을 잘 차단합니다.

8. 절연성이 좋습니다. 

 

SiO2의 역할

SiO2의 역할은 크게 3가지입니다.

1. Ion implantation 등 도핑 과정에서 Mask 역할을 하여 dopant가 특정 부위로 확산되는 것을 방해합니다.

예를 들어, 도핑 원자인 P2O5, B2O3 등을 특정 부분만 도핑을 하기 용이해지죠.

 

2. 절연, 유전 역할로 Transistor의 필수적인 Field oxide, Gate oxide 역할을 합니다. 

좀 더 깊게 들어가 볼까요?

Field Oxide는 절연 효과를 극대화해야 하므로, low K material을 사용합니다.

Gate Oxide는 유전 효과를 극대화해야 하므로, high K material을 사용합니다.

이 부분은 바로 아래 링크에 따로 설명을 해드렸습니다. (이 부분은 매우 중요하므로 꼭 클릭을 해서 정독을 해주세요.)

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2022.11.15 - [전자공학/반도체 공정] - 산화 공정) 유전율, high k, low k에 대해서 알아보자

산화 공정) 유전율, high k, low k에 대해서 알아보자

 

3. Surface passivation 역할로, 실리콘 표면 보호를 통해 이온 폭격, Sputtering 시 기판 손상을 막아줍니다. 

태양전지에서 표면의 결함으로 인해 생기는 inteface state에 의한 surface recombination을 막아주죠.

 

SIO2는 결정질일까요 비정질일까요?

2022.11.14 - [전자공학/반도체 공정] - 반도체 산화 공정) 반도체 산업에서 산화막은 단결정일까 비정질일까?

비정질입니다!

반도체 산화 공정) 반도체 산업에서 산화막은 단결정일까 비정질일까?

산화 방법

이제부터 SiO2를 만들어 보도록 하겠습니다. 만드는 방법은 크게 3가지로 나뉩니다.

 

1. 열 산화 방법 : Wafer의 Si를 이용하는 공정입니다. Furnace 내에서 높은 열을 가하면서 산소를 공급하여 wafer와 산소 간의 화학반응을 시키는 공정입니다. 이 공정은 산화막 품질이 제일 좋습니다.

열 산화 공정

2. PECVD 등 CVD 방식, ALD 방식 : Wafer의 Si가 아닌, 외부 Si gas와 산소와 반응하여 산화막 증착을 시키는 공정입니다. Si wafer가 굳이 노출될 필요가 없습니다.

 

3. 자연 산화막 : 대기 중의 산소가 wafer와 반응하는 방식으로, 품질이 좋지 않아 접촉 저항 및 gate 산화막 누설 전류 증가 등 불량이 일어나서 이 자연 산화막 층은 꼭 제거를 해야 합니다(통제하기도 어렵죠). 이 제거 공정을 NOR 공정이라고 하지요.

혹은 HF로 자연 산화막을 녹입니다. 실리콘은 소수성, SiO2는 친수성이기 때문에 HF로 녹인 후, 물을 표면에 부어 젖으면 아직 SiO2가 남아있다는 판단을 할 수 있습니다. 

 

열 산화 방법

 

열 산화 방법은 크게 건식 산화, 습식 산화로 나뉩니다.

건식 산화는 O2 가스를 이용하여 산화물을 만드는 과정으로, 산화 속도가 느린 대신 치밀한 산화막을 만들 수 있어 높은 절연 파괴 전압의 산화막을 만들 수 있습니다. 따라서 Gate Oxide 산화막을 만들 시 사용됩니다. 

 

*현재 Gate Oxide 공정 기술은 건식 산화 방식이 아닌 ALD 방식으로 매우 얇은 Oxide 층을 만듭니다. 이는 건식 산화막 보다 치밀하지 못하여 절연 내구성이 낮고 누설전류가 많다는 단점이 있습니다.

너무 얇으면 Tunneling 현상도 일어나죠. 

 

습식 산화는 H2O 가스를 이용하여 산화물을 만드는 과정으로, 산화 속도가 빠르다는 장점이 있어 두꺼운 field oxide 산화막을 만들 시 사용됩니다. 소자 간 절연이 가장 중요한 parameter이기 때문입니다. 

 

습식 산화가 더 빠른 이유는, O2 gas가 H2O gas에 비해 무겁고 크기 때문입니다. 

산화 공정의 Mechanism

산화 공정의 mechanism에 대해서 설명을 해드리겠습니다.

Mechanism은 크게 3단계로 나뉩니다. 산화 종의 공급, 확산, 반응입니다.

1. 산화 종의 공급 : 반응에 필요한 산소를 외부에서 공급하는 단계입니다.

2. 확산 : 산화 종이 Si 경계까지 뚫고 지나가는 현상입니다.

3. 반응 : Si + O2 ->SiO2, Si +H2O --> SiO2 + 2H2를 통해 산화막이 만들어집니다.

 

즉, 실리콘와 가까운 산화막일수록, 최근에 합성된 산화막임을 알 수 있습니다. (확산 과정)

 

SIO2, Si의 식각

Si를 패터닝 하기 위해  Si는 식각이 안되고, SiO2을 식각 할 수 있어야 합니다. 

이 같은 경우 BHF라는 식각 가스를 이용하는데요, 자세한 건 아래 링크에 적어놨습니다.

2022.11.22 - [전자공학/반도체 공정] - 식각 공정) Si, SiO2의 습식 식각 물질

식각 공정) Si, SiO2의 습식 식각 물질