#!if 문서명2 != null
, [[]]#!if 문서명3 != null
, [[]]#!if 문서명4 != null
, [[]]#!if 문서명5 != null
, [[]]#!if 문서명6 != null
, [[]][[반도체|반도체 제조 공정
Semiconductor Fabrication
]]- [ 펼치기 · 접기 ]
- ||<-2><tablewidth=100%><tablecolor=#000,#ddd><bgcolor=#0ff>반도체 8대 공정 (Process Integration)
Front-End
(웨이퍼/제조 · 산화 공정 · 포토 리소그래피 · 식각 공정 · 증착 공정 · 금속 배선 공정)
(+ 이온 주입)Back-End
(EDS · 패키징(=백엔드 자체))구조 <rowcolor=#000>반도체 제품 반도체 소자 CPU · GPU(그래픽 카드) · ROM · RAM · SSD · HDD · MPU · eMMC · USB · UFS · 와이파이 트랜지스터(BJT · FET · JFET · MOSFET · T-FT, FinFET, GAA) · 전력 반도체 소자(사이리스터 · GTO · 레지스터(IGBT) ) · 다이오드 · CMOS · 저항기 · 연산 증폭기 · 펠티어 소자 · 벅컨버터 용어 웨이퍼 · 팹 · SoC · Technology Node · PPA · PCB · FPGA · Photo Resist · Alignment · LOCOS · STI · Fume · 산화막 · 질화물 · Annealing <rowcolor=#000>현상 법칙 정전기 방전 무어의 법칙 · 4 GHz의 벽 · 폴락의 법칙 기업 분류
기업 목록은 각 문서에 서술반도체 제조사(종합반도체사 · 팹리스 · 파운드리 · 세미캡)
1. 개요
Oxidation반도체 8대 공정 중 하나로, 웨이퍼에 산소를 주입하여 산화를 유도하는 과정을 말한다.
2. 참고 영상
| 삼성전자 반도체 뉴스룸 유튜브 |
| ▲ 산화 공정(CVD) |
3. 산화막
산소 반응성이 좋은 규소는 산소와 결합하여 산화막([math(SiO_2)])을 만든다. 영어로는 Silicon Di-oxide라고 하는데, Di는 2개라는 뜻이라 큰 의미가 없다보니 생략하여 옥사이드(Oxide)라고 부른다. 이러한 산화막은 말그대로 표면에만 얇게 형성되기 되기 때문에 여러 가지 용도로 사용된다. 주로 아래와 같은 기능을 한다.- 보호막 (Surface Passivation) : 규소가 산화막이 되면 부도체가 된다. 산화막은 강도가 좋기 때문에 표면을 보호하고 안정화하는 데에 기여한다. 국소적인 공정 진행 시에도 산화막이 유용하게 사용된다.
- 불순물 제거 (Surface Cleaning) : 산화막이 생성되면서 표면의 불순물을 제거하는데 기여한다.
- 소자 간 격리 (Isolation) : 아래 LOCOS 참고.
3.1. LOCOS
LOCal Oxidation of Silicon새 부리 모양이라고 하여 Bird's Beak 이라고도 부른다.
부도체인 산화막은 전기 전도도가 낮으므로 (밴드갭 9.0eV), 소자 간의 전기적 분리에 유용하다. 과거 이를 위해 형성했던 영역을 LOCOS 라고 한다.
3.2. STI
Shallow Trench IsolationAspect ratio가 높고 Depth가 깊은 구조. 즉, 가로가 짧고 세로가 긴 구조.
부피를 많이 차지하는 LOCOS 대신 소자 간 격리에 더 유용하기 때문에 현대에 많이 사용되고 있다. 해당 구조는 Oxidation으로는 생성이 불가능하므로 증착 공정으로 생성한다.
4. 과정
과정은 의외로 단순한데, 웨이퍼를 두고 산소를 주입한 뒤 온도를 높여주는 것이다. 촉매 없이도 실리콘이 산소와의 반응성이 좋아 가능한 일이다.4.1. 방식에 따른 구분
[math(Si + O_2 \rightarrow SiO_2)]건식 공정(dry thermal oxidation)은 산소 기체를 직접 실리콘과 반응시켜 산화 공정을 수행한다.
[math(Si + 2H_2 O \rightarrow SiO_2 + 2H_2 (g))]
습식 공정(wet thermal oxidation)은 수증기를 실리콘과 반응시켜 공정을 수행하며, 물이 사용되기에 '습식'이라고 불린다. 일반적으로 습식 산화 공정의 속도가 건식보다 빠르지만, 그만큼 댕글링 본드(dangling bond)가 많이 생기는 등 산화막의 품질은 떨어진다.
증착 공정(CVD)으로도 산화막을 생성할 수 있다. Thermal oxidation 공정이 보통 800°C 이상의 고온을 요구하기 때문에 이미 박막이나 패턴이 형성된 후에 사용하기 어려울 때가 많은데, 이럴 때 400°C 이하에서도 가능한 CVD로 산화막을 생성한다. 다만 thermal oxidation에 비해 막질은 떨어진다. 최근 사용되는 STI 공정은 CVD를 활용한다. CVD로 산화물을 형성할 때는 다양한 기체를 사용할 수 있는데 실레인과 산소를 주입해 산화막을 형성하는 과정은 다음과 같다.
[math(SiH_4 + O_2 \rightarrow SiO_2 + 2H_2 (g))]
4.2. 딜-그로브 모델
산화 공정은 웨이퍼의 실리콘 표면을 산화물로 변화시키는 과정이라고 할 수 있다. 따라서 산화가 어느 정도 진행되면 표면에 두껍게 형성된 산화물 층이 공정 반응에 방해 요소로 작용하기 때문에 반응 속도가 줄어들게 된다. 이를 수학적으로 모델링한 것이 딜-그로브 모델(Deal-Grove model)이다.이 모델에 따르면 공정 시간이 특정한 기준 시간 이전까지는 선형적(linear)인 산화막 생성이 일어나고, 기준 시간을 넘어가면 제곱근(parabolic)의 형태로 산화막 생성이 이루어진다. 기준 시간은 주입해 주는 기체의 전달 계수 [math(h_g)], 기체가 산화막을 통과하는 정도를 나타내는 확산 계수 [math(D_{ox})], 표면에서 산화 반응이 일어나는 정도인 반응 계수 [math(k_i)] 등이 결정한다.
5. 질화물
분자식은 [math(Si_3 N_4)]. 질화물이라서 영어로는 나이트라이드(Nitride)라고 부른다.소자 간 격리에 산화막을 사용할 때 여러 문제점이 발견되면서 사용되기 시작한 물질이다. 산화막 사용시 문제가 되는 점은 아래와 같다.
- 큰 부피를 차지한다: LOCOS를 만들면 기존 실리콘 두께 대비 3~4배 가량의 두께가 된다.
- 강도가 낮다: LOCOS가 되면 자연스레 곡면이 생기는데, 산화막은 표면 Stress를 받아 휘어버리면 깨져버리는 문제가 있다.
- 산화막을 쓸 수 없는 경우가 있다: 공정 단계상 산화막을 만들 수 없는 경우가 있다. 혹은 MASK를 더 써야해서 비용 문제가 생긴다.
NItride는 산화막 대비 강도가 높고, 부피가 낮고, Uniformity가 좋아 산화막을 대체하여 사용하기가 편한 장점이 있다. 다만 온도만 높이면 쉽게 만들 수 있는 산화막에 비해 유독 가스 등 안전성 면에서 고려할 부분이 많다는 단점은 있다.