[STEP 한국기술대학] 반도체 제조 공정 장비 운영 - (1) 확산공정 / 산화공정 / 열처리 공정 / LP-CVD 공정

반도체 제조 공정 장비 운영
(1) 확산공정

 

확산공정(Diffusion) 주요 공정은 세 가지로 나뉨

 

1. 산화공정(Oxidation)

2. 열처리 공정

3. LP-CVD 공정

 

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1. 산화공정(Oxidation)

 

반응로에서 고온(800~1200도씨)에서 산소나 수증기를 실리콘 웨이퍼 표면과 화학반응을 시켜

얇고 균일한 실리콘 산화막(SiO₂)을 형성시키는 공정

 

- 산화막 형성은 실리콘 집적회로 제작에서 가장 기본적이며 자주 사용됨

- 실리콘 공정에서는 열산화막이 많이 사용되고, 그 외 실리콘 기판 위에

산화막을 형성시키는 방법은 산화막을 형성하는 온도에 따라 다양함

- 실리콘 웨이퍼의 표면을 산소(또는 수증기)와 반응시켜 실리콘 산화막을 형성하는 것으로

산화막의 두께 조절이 쉽고, 실리콘과 산화막 사이의 계면 특성이 우수해 반도체 공정에서 주로 사용함

 

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산화공정은 사용하는 산화제에 따라 다시 한 번 나뉘는데,

 

1. 건식 산화(Dry Oxidation)

산소를 반응로 내부로 주입하여 산소와 실리콘을 반응시켜 실리콘 산화막을 형성하는 방법

 

2. 습식 산화(Wet Oxidation)

Pyro 수증기를 반응로 내부로 주입하여 수증기와 실리콘을 반응시켜 실리콘 산화막을 형성하는 방법

- pyrogenic torch가 있음

- Heating Mantle과 Bubbling을 이용한 습식 산화도 있음

습식 산화는 수증기를 고온의 전기로에 주입하는 방식으로,

수증기를 불어 넣기 위해서 맨틀을 이용하여 수조 안에 들어있는 DI Water를 가열하고

캐리어(Carrier) 가스로 N₂를 사용하여 DI Water를 버블링 시킴으로써 전기로로 수증기를 불어넣어서 산화막을 형성

 

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건식산화 VS 습식산화

 

1. 건식 산화

- 산화 속도가 느리지만 막질이 우수하여 얇은 산화막 형성에 사용

- 패드 산화막(Pad Ox), 게이트 산화막(Gate Ox), STI Liner 등에 사용

 

2. 습식 산화

- 산화 속도가 매우 빨라 두꺼운 산화막 형성에 주로 사용

- 필드 산화막 (FIeld Ox), 희생산화 등에 사용

 

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열산화 방식(Thermal Oxidation)

- 산화막을 형성하기 가장 쉬운방법

- 실리콘이 반도체 재료로써 가장 각광받는 이유

 

산화막의 역할

- 트랜지스터에서의 Gate 유전체 물질 및 Capacitor에서의 유전체 물질로 사용하고,

반도체 소자의 내부에 캐리어들의 이동을 막고 전기를 절연시켜주는 절연체

- 수많은 소자들로 구성되는 집적회로의 제조공정에서 소자와 소자간의 격리를 요구할 때 사용(LOCOS 혹은 Trench)

- 실리콘 기판상에 원하는 불순물을 도핑하는 공정(Diffusion, Ion Implation 등) 에서 도핑이 되면 안 되는 영역의 확산 방지막 역할

- 실리콘 기판 혹은 박막의 건식 식각(Dry Etching) 혹은 습식 식각(Wet Etching) 시에 식각 방지막으로도 사용

- 산화막이 알칼리, 불소 미첨가 산성 용액, 일부 건식식각용 반응기체등과 잘 반응하지 않는 안정적인 성질을 가지고 있음

- 외부의 물리적인 오염으로부터 웨이퍼 표면을 보호

- 웨이퍼에 이온 주입 시 원하지 않는 부분을 산화막으로 막고, 산화막이 없는 부분에만 이온 주입하는 마스크 역할

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2. 열처리 공정

 

확산: 매질을 통해 고농도 -> 저농도로 물질이 이동하는 물리적인 현상

 

- 반도체 제조에서는 고체인 실리콘 웨이퍼에 불순물 원자(도펀트)를 도핑하고,

원하는 깊이만큼 불순물 원자를 이동시키는 것 (도핑)

 

1. 열처리에 의한 방법

- 웨이퍼가 적재되어 있는 반응로에 불순물 원자(도펀트)를 포함하는 가스를 주입해 실리콘 표면에 얇게 증착 한 다음,

반응로에서 1100도씨 이상의 고온 열처리를 도펀트를 실리콘 웨이퍼 내부로 원하는 깊이만큼 확산

 

2. 이온주입 + 열처리

- 이온 주입기를 이용하여 또는 원하는 도펀트를 실리콘 웨이퍼에 주입한 다음, 반응로에서 고온 열처리를 하는 방법

 

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3. LP-CVD공정

 

반응에 사용되는 가스원(Gas Source) 및 증착 조건에 따라

Poly-Si, Amorphous-Si, Nitride, Oxide 등을 증착시킬 수 있음

 

1. Poly Si (폴리 실리콘)

- 폴리실리콘 공정은 게이트나 캐패시터 전극, 저항, 배선 물질로 사용

- 폴리실리콘(다결정 실리콘)은 금속에 비해 저항은 높지만 고온 공정에 적합하고, 도펀트 도핑에 의해 저항 조절이 용이함

- 열 산화막과 계면 특성이 우수함

- 고른 덮힘층(Step Coverage)가 매우 양호함

 

LP-CVD공정

-도핑되지 않은 다결정 실리콘을 먼저 성장시킨 다음,

도핑 소스가 공급되는 반응로에서 고온 열처리를 함으로써 도핑하는 방법

- 장점: 매우 높은 농도의 도펀트를 다결정 실리콘 필름에 침투시킬 수 있음

- 단점: 고온 공정이며, Surface Roughness를 증가시킴

 

2. 질화막 (Nitride, Si₃N₄)

- 소자의 보호막 으로 사용

- 산소가 질화막을 침투하기 어렵 기 떄문에 산화 공정시 질화막이 있는 부분의 산화를 방지할 수 있음

- 캐패시터에서의 유전체로 사용

- 캐패시터 정전 용량을 높이기 위해 Oxide와 같이 샌드위치 구조로 사용함(O/N/O)

 

3. HTO/MTO (High/Middle Temperature Oxide)

- 증착 온도 및 반응 Gas의 종류에 따라 HTO 및 MTO 로 분류

- 캐패시터 구조에서의 유전 물질, High Voltage에서 동작하는 MOS 구조에서의 Gate Oxide 물질로 사용됨

 

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