반도체 제조의 주요 화학반응 공정
- 산화(oxidation) 공정 전기적으로 부도체인 산화막 층은 반도체 소자에 있어 게이트 산화층(gate oxide), 필드 산화층(field oxide), 축전기 산화층(capacitor oxide), 자동정렬 마스크(self-aligned mask), 표면 보호막(surface passivation film), 층간 절연막(interlayer dielectric) 등 매우 다양한 용도로 사용되고 있다.
실리콘 IC가 현재의 인기를 누리게 된 주된 이유 중의 하나도 실리콘이 손쉽게 양질의 산화규소(SiO2) 층을 형성할 수 있다는 데 있다.
실리콘 위에 SiO2 층을 형성시키는 방법은 여러 가지가 있는데, 이들은 열 산화(thermal oxidation)법, 화학기상증착(chemical vapor deposition; CVD)법, 그리고 전기화학적 산화(electrochemical oxidation; anodization)법 등이다.
열 산화법은 산화층 내부와 SiO2/Si 계면에 결함을 거의 생성시키지 않는 방법으로서 우수한 특성의 절연막을 형성시킬 수 있는 기술이다.
이 기술은 산화 반응에 사용되는 기체의 종류에 따라 건식 산화(dry oxidation)법과 습식 산화(wet oxidation)법으로 구분되는데, 반응기체로 순수한 산소를 사용하는 경우를 건식 산화라 하고, 산소와 수증기의 혼합물을 사용하는 경우를 습식 산화라 한다.열 산화 공정은 일반적으로 수평 원통형 전기로 반응기에서 진행되고, 이때 반응기 시스템은 크게 네 부분 즉, 반응 기체들을 보관하고 공급해 주는 원료기체 캐비넷(gas source cabinet), 전원 공급장치와 석영반응기, 열전쌍(thermocouples), 가열코일 등을 포함하고 있는 전기로 캐비넷(furnace cabinet), 웨이퍼를 공급해 주는 공급 준비실(load station), 그리고 컴퓨터 제어기(computer controller)로 구성된다.
현재 실리콘 IC의 제조에 많이 사용되고 있는 산화 반응기들은 8인치 웨이퍼를 한꺼번에 200장까지 처리할 수 있는 능력을 가지고 있다.
산화 반응기 중심부의 온도 균일도(uniformity)는 400 ℃에서 1200 ℃의 범위에서 ±0.5 ℃정도로 유지되며, 반응기는 대부분의 경우 대기압에서 운전된다.
반응기 내의 유체 흐름은 층류(laminar flow)로서 산소나 수증기 등의 반응기체는 운반기체(carrier gas)에 섞여 기체 혼합물로 공급되며, 웨이퍼 근처까지 도달한 이후에는 주로 기체 및 고체 상태 확산에 의해 물질 전달되어 진다.
열 산화 공정은 반응공학적인 측면에서 볼 때 전형적인 기체-고체반응(gas-solid reaction) 시스템이라 할 수 있다.
아래에 산화 반응의 화학공학적인 모델링의 한 예를 살펴보면,열 산화법의 화학 반응은 건식 산화(dry oxidation)의 경우 (식)와 같이 표현된다.Si(s) + O2(g) → SiO2(s) (식)고온에서 산화층을 형성시키는 경우, 실리콘 원자는 웨이퍼 표면에 있는 산소와 반응하기 위해 이미 형성되어 있는 산화층을 통해 웨이퍼 표면 쪽으로 이동하게 되고, 웨이퍼 외부의 산소들은 산화반응이 일어날 수 있는 실리콘 표면 쪽으로 이동하게 된다.
이때 SiO2 층에서의 Si의 확산도는 O2의 확산도에 비해 매우 작다.
따라서 화학 반응은 SiO2/Si 계면에서 발생하게 되고, 이 계면은 외부 기체에 노출되지 않으므로 원하지 않는 불순물(impurity)의 주입도 방지된다.
반면 실온에서는 실리콘과 산소의 확산이 매우 느리게 일어나므로 반응은 자연히 멈추게 되고 이러한 자연발생 산화층(native oxide)은 15-25 Å정도의 두께만 갖게 된다. 따라서 지속적인 산화반응을 위해서는 산화 기체 속에서 실리콘 웨이퍼를 높은 온도로 가열시키는 것이 필수적이라 하겠다.
Cg : 웨이퍼로부터 떨어진 기체흐름에서의 산소 농도
Cs : 웨이퍼 표면에서의 기체상의 산소 농도
Co : 산화층 내부 웨이퍼 표면에서의 산소 농도
Ci : SiO2/Si 계면에서의 산소 농도J는 산소의 플럭스(flux)이며, 단위 시간에 단위 면적을 통과해 지나가는 산소 분자의 수로 정의된다.
세 가지로 정의된 산소 플럭스 중 첫 번째(J1)는 기체흐름으로부터 웨이퍼 표면까지 이동하는 산소의 플럭스로서 실리콘 표면 근처에 존재하는 경계층(boundary layer)을 통과하여 주로 확산에 의해 이동하는 양이다.
- 출처 : 네이버 블로그 -[출처] 산화(oxidation) 공정|작성자 제이벡 Jvac