반도체 8대공정(2)-산화 공정

오늘은 반도체 8대공정 중 산화공정(Oxidation)에 대해 알아보겠습니다. 지난시간 Wafer 제작에 이은 두번째 단계로, 웨이퍼(wafer)는 전기가 통하지 않는 상태로, 절연층을 생성하거나 특성을 만들어 주기 위한 중요한 공정입니다. 반도체의 산화 과정은 다양한 재료가 이용되는데, 오늘은 가장 대표적으로 사용되는 실리콘(Si)과 게르마늄(Ge)의 산화 과정을 중점적으로 학습하겠습니다. 

반도체 열산화

반도체 웨이퍼 열 산화는 반도체 제조에서 핵심 과정이며, 얇은 산화 층, 대표으로 이산화 실리콘 (SiO₂)이 실리콘 웨이퍼의 표면에서 성장합니다. 이 과정은 웨이퍼를 고온에서 산소 또는 수증기에 노출시키는 것이 일반적으로 800°C~1200°C 사이입니다. 고온은 실리콘과 산소 사이의 반응을 가속화하여 웨이퍼 표면에 절연 SiO₂ 층을 형성합니다.

 

열 산화는 MOSFET에 게이트 유전체를 생성하고 성분 사이의 단열재를 제공하며 실리콘 표면을 보호하는 데 중요합니다. 산화물 층의 두께는 산화 시간 및 온도에 의해 제어되며, 이는 원하는 특성을 달성하기 위해 정확하게 모니터링된다. 산화물 층은 장벽으로서 작용하여 전류가 특정 영역에 걸쳐 흐르는 것을 방지하고, 실리콘 표면을 수동하여 전하 캐리어 재조합을 감소시킨다. 이 기술은 CMOS 기술의 기본이며 통합 회로 및 마이크로 전자 장치의 제조에 필수적입니다.

 

건식산화

수증기가없는 산소 가스 만 사용되기 때문에 공정을 건식산화라고합니다. 건식 산화는 실리콘 웨이퍼에 매우 얇고 조밀 한 산화물 층을 형성합니다. 일반적으로 온도에 따라 시간당 약 10 내지 50 나노 미터의 성장 속도로 습식 산화에 비해 느린 속도로 자랍니다. 건식 산화로 형성된 산화물 층은 조밀하며 결함이 적어 MOSFET 및 기타 고성능 반도체 장치의 고품질 게이트 유전체에 이상적입니다. 또한 산화물 층의 두께에 대한 정확한 제어를 제공하며, 얇은 게이트 산화물이 필요한 고급 반도체 장치에 필수적입니다.

 

습식산화

수증기의 첨가는 산화 공정을 가속화하여 건조 산화보다 산화물이 더 빨리 자라도록합니다. 습식 산화는 전형적으로 800 ℃ 내지 1000 ℃ 범위의 온도에서 발생하며, 산화물 성장 속도는 특정 공정 파라미터에 따라 시간당 약 100 ~ 200 나노 미터입니다. 건조 산화에 비해 산화물 성장 속도가 상당히 빠르기 때문에 더 두꺼운 산화물 층이 빠르게 필요할 때 유용합니다. 또한 스트레스 특성이 좋은 산화물 층을 생성하며, 이는 칩의 장치 간 분리를 제공하는 산화물 층과 같이 더 두꺼운 산화물 층이 필요한 응용 분야에 유리합니다.

 

실리콘(Si)

실리콘(Si)의 산화

실리콘(Si)은 고온에서 산소에 노출 될 때 산화 산화물 층 (SIO₂)을 형성합니다. 이것은 반도체 기술에서 가장 잘 이해 된 산화 과정 중 하나입니다. 산화물 층은 유전체 물질로서 작용하며 MOSFET과 같은 장치의 절연에 사용됩니다. 반응은 다음과 같습니다.

 

Si+ O₂ → SiO₂

 

산화 실리콘(Si)은 매우 안정적이며, 두께는 열 산화와 같은 공정을 통해 제어 할 수 있습니다 (일반적으로 800-1200 ° C 사이). 실리콘(Si) 산화물 층은 다양한 구성 요소를 분리하고 트랜지스터의 생성을 허용하기 때문에 통합 회로 (ICS)의 제조에 중요합니다.

 

게르마늄 (Ge) 

게르마늄(Ge)은 산소에 노출 될 때 독일 산화물 (GEO₂)을 형성하지만,이 산화물은 산화 실리콘(Si)보다 안정적이며 고온에서 더 쉽게 감소됩니다. 반응은 다음과 같습니다.

 

Ge+O2 → GeO2

 

산화물 층을 형성하는 반면, 게르마늄(Ge) 산화는 산화 열악한 열 안정성과 제거 또는 감소 할 수있는 용이성으로 인해 실리콘(Si)만큼 산업에서 널리 사용되지 않습니다.

 

Galium Arsenide (GAAS)

갈륨아세나이드는 산화물 층을 형성하지만 실리콘(Si)과 다릅니다. 산소에 노출 될 때, 갈륨은 산소와 반응하여 산화 갈륨 (Gajo₃)을 형성하고, 비소는 전형적으로 비소 산화물을 형성하며, 이는 고온에서 휘발성이다. * 반응은 다음과 같습니다.

 

4Ga+3O2 → 2Ga2O34

 

GAA의 산화는 비소 산화물의 변동성과 GAAS 결정 구조의 성질로 인해 복잡합니다.

 

기타 반도체

질화 갈륨 (GAN), Indium Phosphide (INP) 및 기타 화합물 반도체는 산화를 겪지 만 각 물질은 다른 결정 구조 및 화학적 조성으로 인해 고유 한 특정 거동을 갖습니다. 예를 들어 GAN은 고온에서 산소에 노출 될 때 얇은 보호 산화 층을 형성하지만, 공정은 실리콘(Si)보다 훨씬 덜 일반적입니다.

 

산화의 일반적인 영향

전기 단열재: 많은 경우 산화물 층은 절연 재료로서 작용하여 전기가 원하지 않는 지역에서 전류가 흐르는 것을 방지합니다. 이것은 트랜지스터 및 기타 장치를 만드는 데 핵심입니다.

Passivation: 산화는 또한 반도체를 "통행"하는 역할을하여 전하 운반체의 표면 재조합을 감소시켜 장치 성능을 향상시킬 수 있습니다.

장치 제조: CMOS (보완 금속 산화물-세미 도체) 기술에서 실리콘(Si) 산화물은 게이트 유전체를 생성하고 통합 회로의 다른 부분을 분리하는 데 사용됩니다.

 

요약하면, 반도체의 산화는 물질에 따라 다릅니다. 실리콘(Si)은 안정적인 산화물 층을 형성하는 반면, 게르마늄(Ge) 및 갈륨 아르 세나이드와 같은 다른 물질은 덜 안정적인 산화물 층으로 다르게 행동합니다. 공정은 반도체 장치 제조, 특히 전기 특성을 제어하고 단열 또는 보호 층을 생성하는 데 필수적입니다.