반도체 8대 공정 2탄. 웨이퍼 표면을 보호하는 산화공정(Oxidation)

지난 시간, 반도체의 집적회로(IC)의 핵심재료인 웨이퍼(Wafer)에 대해 알아보았습니다. 오늘은 반도체 8대 공정 두 번째 시간으로 웨이퍼 표면에 산화막(SiO₂)을 형성시키는 ‘산화공정’에 대해 알아보도록 하겠습니다.

■ 웨이퍼 표면을 보호하는 든든한 산화막

모래에서 추출한 실리콘은 반도체 집적회로의 원재료가 되기 위해 일련의 정제과정을 거쳐 실리콘 기둥(Ingot)으로 만들어집니다. 이 실리콘 기둥, 즉 잉곳을 균일한 두께로 절단한 후 연마과정을 거치면 웨이퍼(Wafer)가 되는데요,

연마 직후의 웨이퍼는 전기가 통하지 않는 순수 상태이기 때문에 반도체의 성질을 갖도록 웨이퍼 표면에 여러 가지 물질을 형성시킨 후, 설계된 회로 모양대로 깎고, 다시 물질을 입혀 깎아 내는 작업의 반복이 필요합니다.

이 모든 공정의 기초 단계인 산화(Oxidation)공정은 웨이퍼에 여러 가지 물질로 얇은 막을 증착하는 대표적인 방법으로, 고온(800~1,200℃)에서 산소나 수증기를 웨이퍼 표면에 뿌려 얇고 균일한 실리콘 산화막(SiO₂)을 형성시키는 과정입니다.

이때 형성되는 산화막은 공정 시 발생하는 오염물질이나 화학물질로 생성되는 불순물로부터 실리콘 표면을 보호하는 역할을 하는데요, 눈에 보이지 않는 미세한 불순물도 실리콘 표면에 침투하게 되면 비저항 혹은 전도율을 변화시키는 요인이 되어, 집적회로의 전기적 특성에 치명적인 영향을 미치게 됩니다. 이 때문에, 불순물 침투로부터 실리콘 표면을 보호하는 산화막의 역할은 매우 중요합니다.

또한, 산화막은 이온 주입법으로 주입된 불순물이 웨이퍼 표면에 도달하는 것을 막아 주는 든든한 보호막 역할을 하고, 웨이퍼 위에 그려지는 각 배선이 합선이 되지 않도록 구분해주는 절연막 역할을 하기도 합니다.

그렇다면, 이렇게 든든한 보호막 역할을 하는 산화막은 어떻게 형성되는 것일까요?

웨이퍼는 대기 중 혹은 화학물질 내에서 산소에 노출되면 산화막을 형성하게 되는데요, 이는 철(Fe)이 대기 중에 노출되면 산화되어 녹이 스는 것과 같은 이치입니다.

보통 산화막 형성에는 열산화, 전기 화학적 양극 처리, 플라즈마 보강 화학 기상 증착(PECVD) 등 여러 가지 방법이 있지만, 고온의 환경에서 웨이퍼에 산화막을 형성하는 열산화가 가장 보편적인 방법입니다.

열산화 방법은 건식(Dry)산화와 습식(Wet)산화로 나뉘게 되는데요, 건식산화는 산소만을 이용해 얇은 막을 형성할 때 주로 쓰이고, 습식산화는 산소와 수증기를 모두 사용하기 때문에 보다 두꺼운 막을 형성할 때 사용됩니다.

건식산화는 매우 좋은 전기적 특성을 가진 산화물을 성장할 수 있지만, 동일한 온도를 적용 했을 때, 같은 두께의 산화물을 형성하는데 습식산화 보다 훨씬 더 많은 시간을 필요로 합니다. 같은 온도와 시간에서 습식산화를 사용하여 얻어진 산화막은 건식산화를 사용한 것보다 약 5~10배 정도 더 두껍습니다.

지금까지 웨이퍼 표면을 불순물로부터 보호해주는 산화막의 형성과정과 역할에 대해서 알아보았습니다. 다음에는 산화막이 형성된 웨이퍼 위에 어떻게 반도체 설계 회로를 그려 넣는지 소개해 드릴 예정이니 많이 기대해주세요.

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