세상에서 가장 쉬운 반도체공정 설명 Step.1 - 산화공정편

  반도체를 만드는 과정은 8단계로 나눌 수가 있어요. 순서대로 나열하면, 웨이퍼제조 > 산화 -> 포토 > 식각 > 증착 > 금속배선 > 테스트 > 패키징입니다. 이중 오늘 살펴볼 것은 '산화'공정입니다. 웨이퍼제조는 실제로 반도체공장에서 하는 것이 아닌 만들어져서 나오기 때문에 패스하기로 해요.

반도체를 만드는 방향은 블록을 쌓듯이, 아래에서 위로 쌓아가는 식으로 만듭니다. 테스트와 패키징 공정을 후공정이라 하는데요. 이 두 공정을 제외한 앞선 공정을 전부 전공정이라 부릅니다. 전공정에 대해서 이것만 기억하기로 하죠. 필요한 부분은 물질로 씌우고 필요없는 부분은 깎는 것이라고요.

산화공정 :

  산화공정은 실리콘 웨이퍼 위에 보호막을 씌우는 과정입니다. 유리가 어떻게 만들어지는지 아시나요? 바로, 실리콘(Si)이 산소와 반응하면 유리(SiO2)가 되는겁니다. 유리는 나름 튼튼하기 때문에 웨이퍼를 보호해주는 역할을 해주죠. 반도체에선 유리라 부르지 않고 '산화막'이라 부릅니다. 산화막이 다른 이물질을 차단하기에 딱 제격인 것이죠.

실리콘+산소 = 유리 / 반도체공정에서는 '산화막'

이때 산화막을 생성하는데 3가지 방식이 있어요. 습식(Wet), 건식(Dry), 라디칼(Radical)입니다.

출처 : SK하이닉스

1. 습식산화 : 수증기(H2O)로 산화. 빠르지만 균일하지 못해

습식산화는 고온의 수중기로 실리콘 표면을 녹슬게 하는거와 비슷합니다. 사우나에 들어가면 금방 몸이 달궈지죠. 그런데, 앉아있는 엉덩이 부위라든지 연기가 나오는 방향과 반대에 있는 몸의 부위들은 상대적으로 덜 뜨겁게되죠. 습식산화도 마찬가지로 산화막이 전체적으로 균일하게 생성되지 않다보니 밀도가 제각각이 되는 단점이 있습니다. 물론, 산화속도는 빠르죠.

습식 산화는 산화막생성 속도는 빠르지만, 밀도가 균일하지는 못하다. / 만든이 : LSNB

여기서잠깐!!
습식산화를 하는 과정에서 부산물로 수소가 나오기도 합니다. 화학식으로 보면 이해하기 더 쉽습니다.
Si (고체) + 2H₂O (기체) → SiO₂ (고체) + 2H₂ (기체)

2. 건식산화 : 산소(O2)로 산화. 느리지만 균일

  건식산화는 산소를 직접 웨이퍼에 보내주는 방식이에요. 산소(O2)분자는 물(H2O)분자보다 더 무겁죠. 산소분자(O) 1개당 16인데요. 그렇게 따지면 32 : 18(산소16+ 수소2개분자 무게+2)이되죠. 그렇다보니 산소를 직접 웨이퍼 내부로 보내야하는데, 무겁다보니 속도가 습식산화보다는 좀 더 느립니다. 대신에, 수소 같은 부산물이 생기지는 않죠. 애초에 습식산화는 물(H2O)로 하지만 건식산화는 산소(O2)로만 하니깐요. 무엇보다 느리기 때문에 산화막이 균일하게 생성됩니다.

물이 산소보다 훨씬무거울 것 같지만, 1대1로 하면 산소가 훨씬 무겁습니다 / 만든이 : LSNB

3. 라디칼산화 : 라디칼(OH)로 산화. 빠르고 균일까지해.

  습식산화, 건식산화는 기체들을 고온으로 올려 웨이퍼표면과 접촉시키는 것이 주목적이에요. 라디칼산화는 산소분자를 고온으로 올릴 때 수소를 섞어줍니다. 이때, '라디칼'이라는 기체로 바뀌기 때문에 라디칼 산화라고 해요. 라디컬(Radical)은 급격한 이란 뜻이죠. 산소분자에 수소를 고온에서 급격히 섞은 것을 라디칼(OH)로 이해하면 됩니다. 라디칼 산화는 건식산화에서 한 단계 더 나아갔다고 생각하면 됩니다. 예를 들면, 습식이드 건식이든 웨이퍼의 위방향에는 스며들기 시간이 좀 걸리는데요. 그 이유는 웨이퍼위 규소원자들이 촘촘히 배치되어있기 때문이죠. 그래서, 옆쪽면을 좀 더 빠르게 침투합니다. 라디칼은 가볍고 침투성이 좋기에 윗면이든 옆면이든 균일하게 들어가고 심지어 촘촘히 메꾸어주기 때문에 균일하고 빠르게 산화막생성이 가능합니다.

고온에서 산소분자에 수소분자를 섞어주면 라디칼(OH) / 만든이 : LSNB

4. 산화공정 실제예시 : 수증기는 습식 / 산소는 건식 / 라디칼은 라디칼

  습식산화, 건식산화, 라디칼산화를 배웠으면 어떻게 실제로 반도체공정에 쓰이는지 알아야겠죠. 아래 그림은 정말 간단히 표현한 그림인데요. 그림을 보면 알 수 있듯, 산화공정장비안에 웨이퍼들이 여러개 들어가 있어요. 산화막 생성작업은 웨이퍼 하나씩 하는 것이 아니라 여러개를 한 번에 하기 때문에 상당히 빠른편에 속합니다.

출처 : SK하이닉스

  만일, 습식산화를 하고 싶다면, 산화공정장비 주입구에 수증기를 넣어주면 되겠죠. 건식산화는 그럼 뭘까요? 네 맞습니다. 산소를 넣어주면 됩니다. 라디칼은 당연히 OH를 넣어주면 되겠죠.  

  여기까지가 산화공정이었습니다. 어렵지 않았으리라 생각이 들어요. 다음에는 빛을 이용해 웨이퍼에 전자회로를 직접 새기는 노광공정(포토)으로 찾아오겠습니다 :)