건식 산화

반도체 소자의 성능과 신뢰성은 산화막의 품질에 크게 좌우된다. 산화막이 제대로 형성되지 않으면 누설 전류가 늘고 절연이 약해져 회로가 오동작할 수 있다. 건식 산화는 특히 얇고 치밀한 고품질 산화막이 필요한 곳에 쓰는 공정이다.

건식 산화는 고온(대략 900~1200℃)의 산소(O₂) 분위기에서 실리콘 표면을 산화시켜 이산화규소(SiO₂)막을 만드는 공정이다. 산소가 이미 만들어진 산화막을 뚫고 확산해 실리콘과 만나 반응하기 때문에 막이 아래쪽 실리콘 방향으로 자란다. 이때 막 두께의 약 44%만큼의 실리콘이 소모된다.

습식 산화에 비해 속도는 느리지만 막이 치밀하고 계면(Si/SiO₂) 결함이 적다. 그래서 트랜지스터의 게이트 산화막처럼 품질이 중요한 얇은 막에 쓴다.

산화막은 소자에서 다음과 같은 역할을 한다.

• 절연체: 게이트와 채널, 소자와 소자 사이의 전기적 간섭을 막는다.
• 패시베이션(표면 보호): 실리콘 표면의 결함을 줄이고 외부 오염으로부터 보호한다.
• 마스크 역할: 이온 주입이나 확산에서 일부 영역을 가린다(주로 두꺼운 산화막).

산화막 두께는 소자 특성을 좌우하므로 정확히 재야 한다. 보통 타원편광법(Ellipsometry)과 반사율 측정법(Reflectometry)을 쓴다. 타원편광법은 막에 반사된 빛의 편광 변화를 이용하고, 반사율 측정법은 빛의 반사 특성(간섭)을 이용한다. 둘 다 웨이퍼를 파괴하지 않고 잴 수 있어 생산 현장에 적합하다.

산화막 두께는 온도·시간·분위기(건식인지 습식인지)로 정해진다. 이 관계를 설명하는 대표 모델이 딜-그로브(Deal–Grove) 모델이다.

$$ x^2 + A\,x = B\,(t + \tau) $$

• $x$: 산화막 두께, $t$: 산화 시간, $\tau$: 처음에 이미 있던 막을 보정하는 시간
• $B$: 포물선형 속도 상수(산화제가 막을 확산하는 속도와 관련)
• $B/A$: 선형 속도 상수(실리콘 표면에서의 반응 속도와 관련)

막이 얇을 때는 반응이 느린 단계가 속도를 정해 $x \approx (B/A)(t+\tau)$처럼 시간에 비례해 자란다. 막이 두꺼워지면 산화제가 막을 확산하는 단계가 속도를 정해 $x \approx \sqrt{B\,t}$처럼 증가가 느려진다. 온도가 높을수록 $B$와 $B/A$가 모두 커져서 같은 시간에 더 두꺼운 막이 자란다.

건식 산화는 느린 대신 얇고 정밀한 막을 만들기 좋고, 습식 산화는 빠르게 두꺼운 막을 만들 때 유리하다.

건식 산화는 고온에서 하는 공정이라 다음 문제가 따른다.

• 두께 균일성: 웨이퍼 안, 웨이퍼 사이, 배치 사이에서 두께가 달라지면 소자 특성이 달라진다. 지름이 큰 웨이퍼에서는 온도 분포와 가스 흐름의 차이가 더 크게 작용한다.
• 열적 스트레스: 고온에서 웨이퍼를 빠르게 넣고 빼면 웨이퍼 안에 온도 차이가 생겨 휘어지거나 결정에 미끄러짐(슬립) 결함이 생길 수 있다.

• 온도 제어: 산화로의 온도 균일 영역을 넓히고, 웨이퍼를 넣고 뺄 때 온도 변화 속도를 조절한다.
• 가스 흐름 최적화: 산소가 웨이퍼 전체에 고르게 공급되도록 가스 공급 방식과 웨이퍼 배치를 설계한다.
• 공정 조건의 정밀 조정: 실험과 측정 데이터를 바탕으로 온도·시간·유량을 최적화한다.

• 건식 산화: 고온 O₂ 분위기에서 SiO₂를 만든다. 느리지만 치밀하고 계면이 좋다.
• 막 두께는 온도·시간·분위기로 정해진다(딜-그로브 모델).
• 얇을 때는 시간에 비례하고, 두꺼워지면 $\sqrt{t}$로 증가가 느려진다.
• 막 두께의 약 44%만큼 아래 실리콘이 소모된다.
• 현업 문제는 두께 균일성과 열적 스트레스이고, 온도 제어와 가스 흐름 최적화로 개선한다.