반도체공정03-산화공정

산화(oxidation) 공정

1. 산화공정이란?

• Si(실리콘) 표면을 SiO2(실리콘 산화막)으로 만드는 공정.
• 산화막은 절연막/보호막/마스크 역할로 반도체 공정에서 거의 필수.
• 대표 적용: MOSFET 게이트 산화막, 표면 패시베이션, 확산·이온주입 마스크 등.

1. 산화막 만드는 방식: 열산화 vs 증착
   (1) 열산화(Thermal Oxidation)

• 고온에서 Si 자체를 직접 산화시켜 산화막을 성장시키는 방식.
• 대표 반응
  • 건식(Dry): Si + O2 → SiO2
  • 습식(Wet): Si + 2H2O → SiO2 + 2H2
• 특징
  • Si/SiO2 계면 품질이 좋아서 소자 신뢰성에 유리(특히 MOS)
  • 대신 고온이라 열 budget 부담이 있음

(2) 증착산화(Deposition Oxide)

• SiO2를 위에 쌓는 방식(CVD, PECVD 등).
• 특징
  • 저온 공정 가능, 공정 유연성 좋음
  • 열산화에 비해 계면 품질이 떨어질 수 있음(공정/조건에 따라 다름)

1. SiO2를 쓰는 이유(장점)

• 절연 성능이 좋고(누설 전류 억제에 유리)
• 항복 전계가 커서 신뢰성이 좋음
• Si/SiO2 계면이 비교적 안정적이라 소자 특성이 잘 나옴
• 표면을 따라 컨포멀하게 형성되기 쉬움
• 도펀트 확산 마스크로 유리
• HF 등으로 선택 식각이 쉬워 공정성이 좋음

1. “산화하면 Si가 먹힌다” (두께 관계)

• 열산화는 Si가 SiO2로 변환되는 과정이라 Si가 일부 소모됨.
• 산화막 두께를 t라 하면 대략
  • 위로 자라는 부분: 약 0.55t
  • Si 내부로 들어가며 소모되는 부분: 약 0.45t
• 즉, 산화막을 만들수록 기판 Si가 줄어드는 효과가 있다.

1. 계면 결함(dangling bond)과 패시베이션

• Si/SiO2 계면에는 dangling bond가 생길 수 있고, 이게 트랩(trap)으로 작용하면 소자 특성(누설, 문턱전압, 신뢰성 등)에 악영향.
• 그래서 수소(H) 패시베이션 같은 처리가 중요.
• 결정면(100/110/111)에 따라 계면 특성과 산화 거동이 달라질 수 있음.

1. 산화막 성장 속도: Deal–Grove 모델 핵심
   열산화는 “공급 → 확산 → 반응”의 직렬 과정으로 이해하면 편함.

• 산화제(O2/H2O)가 표면까지 도달
• 산화막 내부를 확산
• Si/SiO2 계면에서 반응해 SiO2 생성

두께가 커질수록 지배 단계가 바뀜.

• 초기(얇음): 계면 반응 지배 → 거의 선형 성장( x ∝ t )
• 후기(두꺼움): 산화막 내부 확산 지배 → 포물선 성장( x ∝ √t )

1. 공정 변수 영향(시험/실무 포인트)

• 온도 증가: 성장속도 증가(대체로 Arrhenius 거동)
• 습식 산화가 건식 산화보다 훨씬 빠름
• 결정방향에 따라 성장 속도/초기 반응 구간이 달라질 수 있음
• 도핑 종류/농도에 따라 산화 속도가 달라질 수 있음
• 압력 증가: 산화제 유효 공급이 커져 성장속도 증가 경향