반도체 8대 공정 - 산화공정 (Oxidation) (2)

지난 시간에 이어서, 반도체 산화 공정 Oxidation 파트에 대하여 알아보겠습니다.

 

4. 열산화 시의 Si 소모 및 부피 팽창

 

실리콘을 열산화시켜 SiO2를 형성할 때, 실리콘의 일부가 소모되어 SiO2로 치환됩니다. 치환비 0.46 : 1

즉, 1m의 SiO2 성장 시 0.46m의 실리콘이 소모되어 부피는 약 2배로 늘어납니다.

이 과정에서 표면에 있던 오염물이나 결함이 산화막 속에 포함되면서 Si와 SiO2의 경계면에는 오염물 및 결함이 없어지게 됩니다. 또한, Si 결정에서는 원래의 표면 Si가 주변의 Si 원자와 결합을 할 수 없어 결합하지 못하고 남은 Dangling Bond가 생기게 됩니다. 하지만 산화막을 형성함으로써 Dangling Bond가 없어져 안정한 표면을 갖게 됩니다.

Si 산화공정에 의한 SiO2의 부피 팽창 현상은 주변 소자와의 간섭을 방지하기 위한 공정, 즉 고립공정(Isolation)에서 유용하게 쓰입니다.

산화 공정 시 실리콘 질화막이 잘 산화되지 않는 특성을 이용하여, 실리콘이 노출된 부분만 두껍게 열산화막을 형성할 수 있습니다. 이를 LOCOS(Local Oxidation of Silicon) 공정이라고 합니다.

LOCOS 공정 중 노출된 실리콘 표면이 산화되면서, 부피팽창에 의해 산화막의 두께가 변화하는 영역이 생깁니다. 이를 새부리 영역(Bird's Beak)이라고 합니다.

새부리 영역은 경사가 완만한 표면을 얻을 수 있어서 후속 공정 진행이 쉬워지는 장점이 있습니다.

하지만 소자가 미세화되어 감에 따라 LOCOS는 Bird's Beak에 의한 액티브 영역, 즉 소자가 형성되는 영역의 손실 때문에 현재는 STI(Shallow Trench Isolaion) 공정을 사용합니다.

STI 공정은 LOCOS 공정과 달리 부피 팽창을 유발하지 않고, 소자와 소자 사이에 식각 공정으로 트렌치를 형성하고 그 공간에 부도체를 채워 넣는 방식입니다. 열산화막에 질화물을 증착시킨 후 포토와 식각 공정을 통해 트렌치를 형성합니다. 그 후 10nm 수준의 열산화막을 트렌치 안쪽에 만드는데, 이 열산화막은 트렌치에 생긴 결함이나 전기적인 trap을 제거하여 소자의 누설전류(leakage)를 줄이는 데 중요한 역할을 합니다. 이 막 위의 공간을 절연물질로 다 채워주기 위해 고밀도 플라즈마를 이용하여 산화막을 증착시키고, 소자와 소자 사이를 단절시킵니다. 그리고 질화막을 stopping layer로 사용하여 CMP(Chemical Mechanical Polishing)을 진행하고 마지막으로 이 질화막을 제거하여 STI 구조물을 만듭니다.

 

다음 편에서는 STI 구조물을 만드는 과정에 대하여 다시 한번 요약한 후, 산화막 성장에 대하여 알아보겠습니다.