산화막 (oxide film)의 용도와 특징 및 형성 방법

산화막(oxide film)이란

산화막(oxide film)은 전기가 통하지 않는 절연 물질로서, 반도체 공정에서 의도하지 않은 곳에 전기가 흐르지 않도록 전류를 막아주는 barrier 역할을 한다. 반도체 소자를 만들 때, 절연이 필요한 여러 곳에 다양한 방식으로 산화막을 형성한다. 이번 포스팅에서는 산화막의 용도와 특징 그리고 형성 방법에 관해서 알아보도록 하겠다.

산화막(oxide film) 용도

하나의 반도체 소자를 제작할 때, 아래 그림처럼 매우 다양한 부분에 산화막이 사용된다. 트랜지스터를 형성하기 전에 개별 트랜지스터를 분리하는 *isolation 공정에서 field oxide로 사용된다. 트랜지스터의 gate를 구성하는 gate oxide로 사용된다. 도핑 물질이 diffusion 되지 않도록 막는 diffusion mask (diffusion barrier)로서 사용된다. 금속 배선을 형성한 뒤, 그 위를 보호하기 위한 passivation layer로도 산화막이 사용된다. 

반도체 공정에서 gate oxide, field oxide, passvation layer 등 여러 용도로 산화막이 사용된다.

*isolation 공정에 관해서는 하단 포스팅을 참고하시길 바란다. https://selectroing.tistory.com/entry/isolation-%EA%B3%B5%EC%A0%95-STI-Shallow-Trench-Isolation

isolation 공정: STI (Shallow Trench Isolation)

산화막(oxide film) 특성

도입부에서 설명한 것처럼, 전기를 흐르지 않게 하는 특성인 절연 특성이 매우 우수하다. 절연 특성을 유지할 수 있는 한계점인 breakdown 기준점이 높아 안정적으로 사용할 수 있다. 보통 SiO2 (silicon dioxide) 산화막을 사용하는데, 형성 과정에서 Si과 직접 반응하여 만들어지기 때문에 Si 기판과의 계면 특성이 우수하다. 또한, 증착 공정에서 수평면과 수직면이 고르게 증착된다는, step coverage 특성이 우수하다는 특징이 있다. 이를 다른 말로는 conformal 하다고 한다. etch 공정에서 다른 물질은 제거하지 않고 산화막만 깔끔하게 제거할 수 있다. 이를 selectivity가 좋다고 한다.

온도에 따른 산화막(oxide film) 형성 방법

산화막을 형성하는 다양한 공정 방식이 존재하는데, 온도를 기준으로 살펴보도록 하겠다. 어떤 온도에서 만들어졌는지에 따라, 산화막의 특성이 조금씩 달라지기 때문이다.

1) T < 200℃

양극산화(anodizion) 방식과 PVD 방식으로 산화막을 형성한다. 양극산화는, **전해질이 포함된 수조에 산화막 구성 물질을 넣고 해당 물질을 분해시켜 Si 기판에 산화막을 형성하는 방식이다. PVD는 evaportaion 방식이나 sputtering 방식으로 산화막을 구성하는 성분을 Si 기판에 물리적으로 증착시켜 산화막을 형성한다. **전해질 : 용액에 녹아서 이온으로 분리되는 물질. 형성된 이온을 통해 전기가 흐를 수 있게 된다.

2) 250℃ < T < 600℃

저온 CVD 방식으로 산화막을 형성한다. SiH4 (silane, 실레인) gas를 이용해 SiO2 산화막을 형성한다. 특히 400℃ 정도에서 형성된 산화막은 passivation layer로 사용된다. B(Boron), P(Phosphorus)가 포함된 gas를 활용해 도핑된 산화막을 형성할 수도 있다.

3) 600℃ < T < 900℃

LPCVD 저압 CVP 방식으로 산화막을 형성한다. TEOS라는 물질을 열분해 해서 SiO2 산화막을 형성한다. 이 방식으로 형성된 산화막은 특히 step coverage가 좋다는 장점이 있다.

4) 900℃ < T < 1200℃

thermal oxidation 방식으로 산화막을 형성한다. furnace에서 wet 또는 dry 방식으로 SiO2 산화막을 형성한다. 이 방식을 통해 매우 쉽고 빠르게 대량으로 산화막을 형성할 수 있다. wafer 물질로 Si가 채택된 이유 중 하나가 이 특성 때문이라고 한다. 특히 다른 공정 방식에 비해 이 방법으로 형성된 산화막의 계면 특성이 가장 우수하다. 공정 방식을 좀 더 자세히 알아보면, wet oxidation 방식은 H2O를 이용한다. 공정 속도가 빠르지만 막질이 비교적 dense 하지 못하다는 특징이 있다. dry oxidation 방식은 O2 gas를 이용한다. dense 한 막질을 얻을 수 있지만, 공정 속도가 느리다는 특징이 있다.