산화 공정(Oxidation)개요

산화 공정(Oxidation)은 화학반응의 한 형태로, 물질이 산소와 결합하거나 전자를 잃는 과정을 말합니다. 이 과정은 화학, 생물학, 산업 공정 등 다양한 분야에서 중요한 역할을 합니다.

✔️산화 공정(Oxidation) 기본 개념

산화 공정은 실리콘(Si) 기판 위에 산화제(물(H₂O) 또는 산소(O₂))와 열 에너지를 공급하여 이산화규소(SiO₂) 막을 형성하는 과정입니다. 생성된 산화막은 회로 간의 누설 전류를 차단하고, 이온 주입 과정에서 확산을 방지하는 역할을 합니다. 또한, 식각 공정에서 잘못된 부분이 식각 되는 것을 방지하는 방지막 역할도 수행합니다.

 

 

산화 공정(Oxidation)개요

 

✔️산화 공정의 종류

산화 공정은 열산화(Thermal Oxidation)로 분류되며, 다시 건식 산화(Dry Oxidation)와 습식 산화(Wet Oxidation)로 나뉩니다.

• 건식 산화(Dry Oxidation): 순수한 산소(O₂)만 사용하여 얇고 균일한 산화막을 형성합니다. 성장 속도가 느리지만, 두께 조절이 정밀하며 전기적 특성이 뛰어난 산화막을 생성할 수 있습니다.
• 습식 산화(Wet Oxidation): 산소(O₂)와 수증기(H₂O)를 함께 사용하여 빠르고 두꺼운 산화막을 형성합니다. 그러나 이 산화막은 밀도가 낮아 건식 산화에 비해 질이 떨어질 수 있습니다. 같은 조건에서 습식 산화로 얻어진 산화막은 건식 산화보다 약 5~10배 두껍습니다.

✔️산화 공정 순서

1. Wafer Cleaning: 웨이퍼 표면의 유기물과 금속 불순물을 제거합니다. SiO₂ 산화막은 HF로 제거됩니다. 대기 중 산화로 형성된 얇은 산화막으로 인해 품질 저하가 발생할 수 있기 때문입니다.
2. Thermal Oxidation: 고온(900-1200°C)에서 건식 또는 습식 산화를 진행하며, 균일성을 위해 더미 기판(Dummy wafer)을 사용합니다.
3. 두께 측정: laser ellipsometer를 이용해 산화막의 평균 두께를 측정합니다.

✔️장점과 단점

• 장점: 산화 공정은 고품질의 절연막을 형성하여 전자 소자의 성능을 향상시키고, 외부 오염물질로부터 웨이퍼를 보호합니다.
• 단점: 공정 시간이 길고 고온에서 진행되기 때문에 웨이퍼에 열적 스트레스를 유발해 소자의 특성이 저하될 위험이 있습니다.

✔️산화막(SiO₂)의 역할

• 산화막(SiO₂)은 반도체 제조에서 여러 중요한 역할을 맡고 있습니다.
• 절연체 역할: SiO₂는 전기적으로 절연성이 뛰어나 트랜지스터와 같은 전자 소자의 전기적 간섭을 방지합니다.
• 패시베이션: 산화막은 웨이퍼 표면을 보호하여 외부 오염물질이나 수분의 침투를 막고 전기적 특성을 안정화합니다.
• 물리적 보호: SiO₂는 기계적 충격이나 화학적 공격으로부터 웨이퍼를 보호하는 역할을 합니다.
• 도핑 프로파일 조절: 산화막은 도핑 공정에서 불순물의 확산을 조절하여 원하는 전기적 특성을 가진 반도체 구조를 형성합니다.
• 광학적 특성: SiO₂는 투명하여 광학 소자에서 사용되며 특정 파장의 빛을 반사하거나 투과시키는 데 활용됩니다.

✔️산화 공정의 중요성

산화 공정은 반도체 제조에서 전기적 절연, 기계적 보호, 화학적 안정성, 소자 성능 향상 등 여러 중요한 역할을 합니다. 산화막(SiO₂)은 MOSFET과 같은 소자의 게이트 절연체로 사용되며, 외부 환경으로부터 기판을 보호하고 불순물 확산을 방지하여 소자의 신뢰성을 높입니다.

 

또한, 미세화 기술을 지원하고 다양한 반도체 소자에서 필수적인 구성 요소로 작용하여 현대 전자기기에서 핵심적인 역할을 합니다. 따라서 산화 공정의 최적화는 반도체 산업의 발전에 필수적인 요소입니다.