15.반도체 전공정 두 번째 단계 산화 공정(OXIDATION)

 

 

 

 

 

 

 

●반도체 전공정 두 번째 단계 산화 공정(OXIDATION   PROCESS)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. 산화막형성

 

 

반도체 제조 공정은 웨이퍼에서 아래로부터 위로 쌓아 올리는 방식으로 진행된다.설계자가  원하는 기능을 구현하는 반도체를 제조하기 위해서는 다양한 모양들을 반도체 내부에 균일하게 만들어야 한다.연마한 후에는 웨이퍼는 전기가 통하지 않는 부도체 상태이다.따라서 도체와 부도체의 성격을 모두 가진 반도체의 성질을 가질 수 있도록 만드는 작업이 필요하다. 이를 위해 웨이퍼 위에 여러 가지 물질을 형성시킨 후 설계된 회로 모양대로 깎고, 다시 물질을 입히고 깎는 일을 반복해야 한다.이러한 과정에서는 반응성이 높은 다양한 화학 물질을 사용하기 때문에 , 화학 물질이 원치 않는 곳에 도달한 경우에는 훌륭한 반도체를 제조할 수 없게 된다.실리콘(Si)은 산소와 반응하여 실리콘 다이옥사이드(SiO2) 즉, 유리를 형성하는 성질을 가지고 있다.이러한 유리는 튼튼함과 그 반응성이 낮은 특성으로 다양한 화학 약품을  저장하는 용기로 널리 사용된다.산화 공정은 웨이퍼에 절연막 역할을 하는 산화막(SiO₂)을 형성하여 회로와 회로 사이에 누설 전류가 흐르는 것을 차단하는 가장 기본이 되는 공정이다.반도체 공정에서도 이러한 유리의 특성은 매우 중요하며, 산화공정을 통하여 생성된 산화막은 그 안정성과 튼튼함으로 물질을 차단하고 반도체 제조 과정에서 든든한 보호막이 된다.특히 반도체 미세공정에서 아주 작은 불순물도 직접회로의 전기적 특성에 치명적인 영향을 미치기 때문에  산화막은 반도체의 성능과 신뢰성을 보장하는데 중요한 역할을 한다.또한 산화막은 위에퍼에 그려져 있는 각 배선이 합선이 되지 않도록 구분해주는 절연막 역할을 하기도 한다.

 

 

 

 

 

 

 

2. 산화막 공정 방법

 

 

①. 열산화방법(Thermal Oxidation)

 

 

가장 보편적인 방법 800℃ 에서  1,200℃의 고온에서 산소나 수증기를 화학반응시켜 웨이퍼 표면을 보호하기 위해 얇고 균일한 실리콘 산화절연막을 형성해 회로간의 누설전류가 흐르는 것을 막아주고 이온주입과정에서 확산방지,식각공정에서는 필요한 부분이 잘못 식각되는것을 방지해주는 역할을 한다. 산화반응에 사용되는 기체에 따라 건식 산화(Dry Oxidation)와 습식 산화(Wet Oxidation)로 나눈다.

 

​i). 건식 산화는 순수한 산소만을 이용한다. 전기적 특성이 좋은 산화물을 만들 수 있으나 산화막 성장 속도가 느려 주로 얇은 막을 형성할 때 쓰인다

 

​ii). 습식 산화는 산소와 함께 용해도가 큰 수증기를 사용한다. 건식 산화에 비해 산화층의 밀도는 낮으나 산화막 성장속도가 빨라 두꺼운 막을 형성할 수 있다. 보통 동일한 온도와 시간에서 습식 산화를 통해 얻어진 산화막은 건식 산화 산화막보다 5에서 10배 정도 더 두껍다.

 

 

 

 

②.​라디칼 산화 공정(Radicai Oxidation) 

 

 

산소 원자를 고온에서 수소 원자와 섞어주면 라디칼이라는 반응성이 높은 기체로 바뀐다.이들을 실리콘 웨이퍼와 반응시키는 방삭으로 이루어진다.건식 산화보다 훨씬 높은 품질의 산화막을 형성할 수 있다.라디칼 산화공정에서는 플라즈마 또는 UV 광원을 사용하여 산소 분자를 활성화시키고 산소 라디칼을 생성한다.이러한 활성 산소 라디칼은 실리콘 웨이퍼 표면과 직접 반응하여 균일하고 결함이 적은 실리콘 다이옥사이드층을 형성한다.상대적으로 낮은 온도에서 진행되어 열에 만감한 재료의 손상을 최소화한다.

 

 

 

 

③. 전기 화학적 양극 처리방법

 

 

집적회로IC생성은  다양한 기능을 처리하고 저장하기 위해 많은 소자를 하나의 칩 안에 집적한 전자부품이다.전자 제품들의 성능이 늘어나면서 트랜지스터, 저항, 다이오드, 캐패시터 등을 서로 연결하기 위한 부분이 급격하게 증가, 이를 해결하고자 나온 집적회로는 복잡한 전자 부품들을 정밀하게 만들어 작은 평면에 인쇄하듯 찍어내 차곡차곡 쌓는 방식이다.집적회로를 채우고 있는 소자들 중 트랜지스터는 전원을 켜고 끄는 스위치, 캐패시터는 전하를 충전해 보관하는 창고, 저항은 전류 흐름 조절, 다이오드는 신호를 고르게 전하는 역할을 한다. 이들은 서로 연결되어 전기 신호를 연산하고 저장한다.과거에 사용되었던 접합형 트랜지스터 (Bipolar Junction Transistor)는 제조가 까다롭고 전력 소모가 컸다.1960년에 개발된 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터(MOS-FET, Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)로 인해 집적회로는 지금에 이르기까지 크게 발전​하였다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.산화막의 핵심적 공정 

 

 

 

 

①.로딩시스템(Loading System) 

 

 

 

웨이퍼를 산화 장비 내부로 이동시키고 정확한 위치에 배치하는 시스템이다.

 

 

 

②.반응실(Reaction Chamber) 

 

 

산화 공정이 수행되는 공간으로서  실리콘 웨이퍼는 이 반응실에서  고온과 산소 또는 습식의 경우 수증기가 공급된다.라디칼 신화 방식의 경우 플라즈마  또는UV  광원을 사용하여 산소라디칼을 생성한다.

 

 

 

③.가스공급시스템   

 

 

산화 공장에 필요한 산소, 수증기 또는 특수가스를 반응실로 공급한다.이 시스템은 가스의 흐름량과 압력을 정밀하게 제어하여 공정  조건을 최적화 한다.   

 

 

 

 

 

④온도제어사스템 

 

 

 

반응실의 온도를 조절한다.산화 공정은 특정 온도에서 수행되어야 하며, 이 시스템은 공정 동안 필요한 온도를 유자하거나 조절한다.

 

 

 

⑤.배기 시스템   

 

 

 

반응실 내에서 발생하는 가스와 부산물을 안전하게 배출한다.

 

 

 

⑥.제어시스템 전체 산화장비의 작동을 제어하고 모니터링하는 시스템이다.이 시스템은 사용자 인터페이스를 통해 공정 조건을 설정하고, 장비의 상태를 실시간으로 모니터링할 수 있게 한다/

 

 

 

 

 

▶관련기업

 

 

 

①. 웨이퍼를 급속저온처리하는 장비 (RTP방식) - 

 

한 번에 하나의 웨이퍼를 공정하는 진공 챔버 기반의 저온인 RTP(Rapic  Thermal Processing)방식은 히터 대산 할로겐이나 텅스턴 할로겐캠프 등을 사용하여 적외선 복사 광선을 발생시켜 레이저빔을 집광렌즈에 모아 웨이퍼에 순간적으로 주사한다. 원익IPS , AP시스템  등이 있다.

 

 

②.웨이퍼 열처리방식

 

어닐(anneal)이란 열처리를함으로써 어느 물질에 축적되어 있는 일그러짐을 없애 전기적 또는 기계적 특성을 개선하는 것을 말한다.어닐링은 반도체에 불순물을 도핑시 킬 때 이온 이식 직후에 반도체의 격자에 생긴 손상을 제거하기 위해서약 1시간 동안 웨이퍼에 400 ºC 정도로 가열하는 공정을 말한다.

 

i).RTA방식

 

반도체 웨이퍼의 급속어닐링(RTA)방식은 대비 뒤틀림 등 불량을 개선하는 공정이다. 텅스텐 할로겐 램프를 활용한 RTA 방식이 현재 어닐링의 주류 공법인데, RTA는 결정적으로 웨이퍼 중앙 부분과 가장자리의 가열 온도가 달라 웨이퍼가 뒤틀리거나 단층이 발생하는 문제가 있다.

 

 

ii).레이저 어닐링방식

 

웨이퍼 결함부에 국소적으로 레이저를 조사해 열처리하는 레이저 어닐링 방식은  이러한 RTA의 문제점을 개선한 공정이다. 레이저 조사 방식이기 때문에 열로 인한 불량 문제에서 자유롭다.디아이티는 약 4년 간의 테스트 개발 기간을 거쳐  2024년초에  SK하이닉스 HBM3E 양산공정에 레이저 어닐링 장비를 투입하기 시작했다.웨이퍼 결함부에 국소적으로 레이저를 조사해 열처리하는 레이저 어닐링 방식은  이러한 RTA의 문제점을 개선한 공정이다. 레이저 조사 방식이기 때문에 열로 인한 불량 문제에서 자유롭다. 이오테크닉스는 삼성전자에 레이저어닐링장비를 공급한다

 

 

 

 ③. 고압수소어닐링장비     HPSP,  예스티 등이 있다

 

 

 

 

 

④. 웨이펴 불순물을 제거하고 드라이클링하는 장비-피에스케이

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