반도체 8대 공정 - 산화공정 (Oxidation) (4)

이번 시간에는 건식산화와 습식산화의 비교로 시작해 보겠습니다.

 

건식산화 공정은 산화 속도가 느리지만 절연막 품질이 습식산화막 대비 우수하기 때문에, 고품질의 얇은 산화막이 필요한 경우에는 건식산화 공정을 사용합니다. 반면 두꺼운 산화막이 필요한 경우에는 습식산화 공정을 사용합니다.

습식산화막의 특성을 개선하기 위해 짧은 건식산화 공정을 습식산화 공정의 앞, 뒤에 추가하는 Dry-Wet-Dry의 3단계 산화공정도 보편적으로 사용하고 있습니다.

 

속도 : 습식 > 건식

품질 : 건식 > 습식

두께 : 습식 > 건식

 

Si의 산화 공정

F1 : 산화제가 산화막 표면에 도달하고 산화막에 용해되는 과정

F2 : 산화막을 통해 산화제가 확산하는 과정

F3 : 실리콘 표면에 도달한 산화제가 실리콘과 반응하여 실리콘 산화막으로 바뀌는 과정

이 F1, F2, F3가 정상 상태(steady state)를 이룹니다.

습식산화가 건식산화보다 속도가 빠른 이유는 F2가 높아져서입니다.

 

산화공정의 초반에는 선형적으로 산화막의 두께가 증가하다가, 일정 시간 이후에는 기울기가 줄어들면서 성장 속도가 감소합니다. 초반에는 산소가 공급되는 대로 반응이 일어나기 때문에 성장 속도가 빠르고 선형적으로 산화막 두께가 증가하지만(Reaction controlled regime), 일정한 두께 이상의 산화막이 성장하게 되면 산소 소스가 생성된 산화막을 확산한 후에 Si과의 계면에서 반응이 진행되기 때문에 성장속도가 느려지게 됩니다(Diffusion controlled regime). 따라서 일정한 두께 이상의 산화막을 필요로 하는 경우 산화공정은 시간이 오래 걸려 사용하지 않고 증착공정으로 산화막을 형성합니다.

 

3. 열 산화막 성장에 영향을 미치는 요인

 

1) 산소의 분압 / 온도

산화 공정은 산소의 공급과 확산, 반응의 단계에 의해 진행되기 때문에 산화막의 성장은 산소의 분압이 클수록, 온도가 높을수록 증가하게 됩니다. 특히 온도는 산호의 확산에 지배적인 영향을 주기 때문에 산화막의 두께에 가장 큰 영향을 주는 요소입니다.

 

2. 산화 방식 (건식산화법/습식산화법)

습식산화가 건식산화에 비해 빠르게 진행됩니다. 산화 공정의 초반 단계를 제외하면 대부분 확산에 의해 반응이 지배되는데 반응을 위한 많은 산소 소스가 공급될 수 있기 때문에 산화막의 성장이 빨라지게 됩니다.

 

3. 실리콘 결정 방향

실리콘의 결정 방향에 따라서도 산화 속도가 달라집니다. 실리콘의 경우 (100) 면 대비 (111) 면이 산화 속도가 더 빠릅니다.

 

실리콘의 결정 방향에 따라서 산화 속도가 달라지는 것은 면밀도의 개념으로 설명될 수 있는데, 이는 (5) 편에서 이어서 소개하겠습니다.