반도체 탐구 (반도체 공정 및 원리)

산화막의 형성 방법

 

반도체 직접회로의 원재료를 탄생 시키기 위하여 일련의 정제 과정을 통해 잉곳 이라고 불리는 실리콘 기둥을 만들어야 한다. 그리고 이 기둥을 균일한 두께로 절단한 후 연마의 과정을 거쳐 웨이퍼를 만들어야 한다. 이렇게 만들어진 웨이퍼는 전기가 통하지 않는 부도체 상태라서 반도체라 할 수 없는데 반도체의 성질을 갖게 하기 위하여 고온 (800~1200도)에서 산소나 수증기를 웨이퍼 표면에 뿌려 얇고 균일한 실리콘 산화막을 형성 시켜야하는데 이 과정을 산화공정이라고 한다.

 

산화막의 형성 방법에는 크게 4가지가 있다. 

열산화, 전기 화학적 산화, 화학적 기상 증착, 플라즈마 화학 기상 증착 이 있다. 

 

그 중 가장 보편적으로 쓰이는 방법이 열산화 방법인데 열산화 방법은 산화 반응에 쓰이는 기체에 따라 건식 산화와 습식 산화로 나뉘어진다. 

 

건식 산화는 아래 반응이 일어나고 산소만을 이용하여 얇은 막을 형성 할 때 주로 사용한다. 

습식산화는 아래 반응이 일어나며 산소와 수증기를 모두 사용하기 때문에 두꺼운 막을 사용할 때 사용한다.

 

두 반응 식을 보면 산화 환원 반응식임을 알 수 있다. 

 

산화 환원반응의 정의는 여러 가지가 있다. 그 중 가장 많이 쓰이는 방법으로는 산화수의 증가, 감소로 정의하는데 산화수가 증가하면 산화 반응이고 산화수가 감소하면 환원반응이다.

우선, 건식산화의 경우를 먼저 보면 반응물의 규소, 산소 모두 산화수가 0이었지만 생성물에서 규소의 산화수는 +4, 산소의 산화수는 –2가 된다. 즉. 규소는 산화수가 증가하였으므로 산화반응이라 할 수 있고 산소는 산화수가 감소하였기 때문에 환원반응이라고 할 수 있다.

 

산화막은 반도체에서 다음과 같은 역할을 한다. 

 

첫 번째는 실리콘 표면을 보호하는 역할을 한다. 

반도체 제조 공정 중에는 의도하지 않는 오염이 발생되는데, 그 중 불순물에 의해 반도체 소자의 특성이 떨어지는 경우가 종종 있다. 산화막은 이런 불순물로부터 웨이퍼를 보호하는 중요한 역할을 한다.

 

두 번째는 이온 주입 시 마스크 역할이다.

산화막을 마스크처럼 사용하여 선택적 영역에 이온을 주입할 수 있다.

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세 번째는 소자를 분리하는 역할을 한다. 

산화막은 소자 1영역과 2영역을 절연하여 전기적으로 연결되지 않도록 분리하는 역할을 하기도 한다.

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네 번째는 유전체의 역할이다. 

산화막은 유전체의 역할을 하여 트랜지스터와 캐패시터의 역할을 한다.

 

화학적 기상 증착  방법

 

화학적 기상 증착  방법 (CVD)란  기체 상태의 금속원과 그와 반응을 하는 가스에 높은 에너지를 가하여 높은 반응성의 라디칼을 형성하고 높은 온도의 기판에서 화학반응을 일으켜 금속 박막을 형성하는 방법이다. 

 

다음은 화학 반응식이다.

반응식에서 기체상태의 금속원과 산소가 반응하여 부 반응 물인 수소 기체는 내보내고 기판에는 고체표면을 형성하는 것을 볼 수 있다. 

그림 속의 과정을 설명하면 

 

(a)반응물질이 확산 

(b)표면 흡착 

(c)표면에서의 화학반응 

(d)부반응물의 탈착 

(e)부반응물이 확산되어 제거

 

화학적 기상 증착법에는 4가지가 있다 (상압 화학적 증착, 저압 화학적 증착, 플라즈마 화학적 증착, 유기금속 기상 증착법) 3가지는 간단하게 조사하였으며 PECVD에 대해서 자세하게 조사하였다.

 

상압 화학적 증착(APCVD): 이 방법은 웨이퍼를 보통 압력으로 코팅하는 기술이다.

 

저압 화학적 증착(LPCVD): 코팅 속도는 낮지만 코팅은 균일해 결점이 적다.

 

유기 금속 증착법(MOCVD): 낮은 온도에서 반응하기 위해 금속 화합물을 사용한다.

 

플라즈마 화학적 증착법 (PECVD) 

 

PECVD는  다른 화학적 기상 증착 법들과 다르게 약 400도의 저온에서도 공정이 가능하기 때문에 웨이퍼 위의 알루미늄 도선이나 유리 기판이 녹지 않는다. 따라서 가장 많이 쓰이는 증착법 이다.

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조금 더 자세히 설명하면 실리콘 박막 증착 시 550℃ 이상으로 온도를 올려주지 않으면 박막에 끊어진 결합(dangling bond)을 포함하게 되는데 이 결합은 전기적으로 불안정하다. 또한 증착온도가 400℃이상이 되면 수소 원자들은 자기들끼리 반응하여 H2의 형태로 빠져 나가버리니, 열을 이용한 증착법은 적당한 온도를 찾기 매우 어려운 편이다. 따라서 낮은 공정 온도가 필요하고 동시에 열 대신 SiH4 분자를 분해시킬 수 있는 다른 에너지가 필요한데 이 역할을 하는 것이 곧 plasma인 것이다.