반도체 8대 공정 - 산화공정 (Oxidation) (5)

지난 시간에 이어 열 산화막 성장에 실리콘 결정 방향이 영향을 미치는 이유에 대하여 알아보겠습니다.

 

실리콘의 경우 (100) 면 대비 (111) 면이 산화 속도가 더 빠릅니다. 그 이유는 면밀도의 개념으로 설명할 수 있는데, (100) 면의 밀도 6.8 * 10^11 /cm^2보다 (111) 면의 밀도 11.8 * 10^14 /cm^2가 두 배 가까이 높습니다 따라서 반응이 일어날 확률이 (111) 면에서 더 높게 되어 성장 속도가 더 높습니다.

실리콘 결정 방향에 따른 산화 속도는 평면 형태의 소자 구조에서는 크게 문제가 되지 않지만, 실리콘의 다른 방향의 면이 드러난 상태에서 산화 공정을 진행할 경우 두께의 차이를 초래하게 됩니다. 예를 들어 트렌치 구조로 만든 후 벽면과 바닥면 등 방향이 다른 실리콘이 드러난 구조에서 산화를 하게 되면 측벽의 산화 속도와 바닥면의 산화 속도가 달라져서 산화막의 두께가 달라지게 됩니다. 이러한 문제를 극복하기 위하여 산화를 통해 아주 얇은 산화막을 만든 후 추가로 증착 공정을 통해 원하는 두께만큼의 산화막을 만들게 되는데, 소자의 채널(channel)이 형성되는 계면은 품질이 우수한 산화 공정에 의해 만들어진 산화막을 형성하고 두께를 위한 산화막은 증착을 통해 균일한 두께를 성장시키는 방식입니다. 또한, 산소를 플라즈마 상태에서 라디칼로 만들어 이를 반응에 이용하는 라디칼 산화(Radical Oxidation) 방법이 있는데, 산소를 라디칼로 만들어 반응성을 높인 상태로 산화를 진행시키는 방법입니다. 이 방법을 사용하게 되면 결정 방향에 의한 영향이 작아서 비교적 균일한 두께의 산화막을 만들 수 있기 때문에 DRAM과 NAND 플래시 메모리의 복잡한 구조의 트랜지스터나 STI의 계면 산화막을 형성할 때 사용하고 있습니다.

 

산화 공정 장비

열산화는 온도의 정확도(+-0.5도)가 유지되는 산화로(Furnace)에서 진행됩니다. 수평방식 열산화 장치입니다. 석영 튜브를 둘러싼 열 코일에 흐르는 전류를 제어하여 석영 튜브(Quartz Tube) 내의 공간을 일정한 온도로 유지하고, 이런 방식으로 공정이 진행되는 공간 전체를 일정한 온도로 가열하는 방식을 Hot-Wall 방식이라고 합니다. 반면에 실리콘 웨이퍼만 목표 온도로 가열하는 방식이 있는데, 이러한 방식은 Cold-Wall 방식이라고 하고, RTP(Rapid Thermal Annealing)에 사용됩니다. 실리콘 웨이퍼는 고온에서 다른 물체와 반응하지 않게 고온에서도 안정적인 석영 트레이(Quartz Tray) 위에 올려져 있습니다.

 

사용하는 웨이퍼 크기가 300mm로 커짐에 따라 변화하는 열산화 장치의 구조부터는 다음 게시물에서 알아보겠습니다.