반도체 8대 공정 - 산화공정 (Oxidation) (3)

오늘은 지난 시간에 알아본 STI 공정의 모식도를 알아보겠습니다.

 

STI 공정

LOCOS 공정과는 다르게 부피 팽창을 유발하지 않고, 소자와 소자 사이에 식각 공정으로 트렌치를 형성하고 그 공간에 부도체를 채워 넣는 방식

 

패드 산화(Pad Ox.) (10~20nm) 실리콘 질화막 증착 -> 활성층 포토/식각 -> 트렌치 실리콘 식각 -> 배리어(라이너)산화 (Barrier(Liner) Ox.) (10~20nm) -> 고밀도 플라즈마 산화막 증착(HDP Ox dep.) -> 화학적 기계적 연마(CMP) -> 질화막 제거

 

1. 열산화막에 질화물을 증착시킨다.

2. 포토와 식각 공정으로 트렌치를 형성한다.

3. 10nm 수준의 열산화막을 트렌치 안쪽에 만든다. - 이 열산화막은 트렌치에 생긴 결함이나 전기적인 trap을 제거하여 소자의 누설전류를 줄이는 데 중요한 역할을 한다.

4. 이 막 위의 공간을 절연물질로 다 채워주기 위해 고밀도 플라즈마를 이용하여 산화막을 증착시킨다. 즉, 소자와 소자 사이를 단절시킨다.

5. 질화막을 stopping layer로 사용하여 CMP(Chemical Mechanical Polishing)을 진행한다.

6. 이 질화막을 제거한다.

 

 

다음은 산화막 성장에 대하여 알아보겠습니다.

 

실리콘 웨이퍼는 공기 중에만 노출되어도 ~10옴스트롱 정도의 자연산화막이 형성됩니다. 그러나 반도체 소자는 보다 두꺼우면서도(20~5000옴스트롱) 품질이 좋은 산화막을 필요로 합니다. 이를 얻기 위해서 900~1200도 정도의 고온에서 산소 atmosphere를 만든 후 열산화 공정을 진행합니다. 이러한 열산화 화학식은 다음과 같습니다.

Si(s) + O2(g) -> SiO2(s)

이와 같이 실리콘과 산소를 반응시켜 실리콘 산화막을 형성하는 것을 건식산화(dry oxidation)라고 합니다.

반면에, 산소 대신에 수증기(H2O)를 포함한 atmosphere에서 열산화시키는 방법을 습식산화(wet oxidation)라고 합니다. 습식산화의 화학식은 다음과 같습니다.

Si(s) + 2H2O(g) -> SiO2(s) + 2H2(g)

열산화는 실리콘 원자와 산소 원자가 결합하는 것입니다. 산소 분자가 산화막을 통해 확산하여 Si-SiO2 계면에 도달하여 산화 반응이 계속 일어납니다. 이때 SiO2에서 H2O와 O2 용해도는 H2O가 O2보다 1000배 정도 크기 때문에 계면에 도달하는 양은 H2O가 O2보다 더 많습니다. 이의 결과로 습식산화의 산화속도가 건식산화보다 더 빠릅니다.

산화 속도 : 습식산화 > 건식산화

 

다음 편에서 습식산화와 건식산화의 비교를 자세하게 해보겠습니다.