isolation 공정: LOCOS (LOCal Oxidation of Silicon)

들어가는 글

반도체를 만들 때 특정 구조를 형성하는 공정 기술을 일컫는 용어가 많이 있다. 예를 들어 서로 다른 소자 사이를 전기적으로 분리하는 isolation 공정, 빈 공간을 미리 만든 뒤 Cu를 채우는 damacine 공정 등 다양한 기술이 존재한다. 그중 이번 포스팅에서는 isolation 공정, 그중에서도 LOCOS (LOCal Oxidation of Silicon) 기법에 관해 알아보도록 하겠다.

isolation 의미

하나의 소자(일반적으로 트랜지스터)가 동작할 때, 주변에 있는 다른 소자에 전기적으로 영향을 끼치지 않도록 소자 사이에 절연 물질을 채워 소자를 전기적으로 분리하는 기술이다. 금속배선과 같은 후공정까지 잘 진행했더라도 가장 초반에 진행하는 이 isolation 공정을 제대로 진행하지 않으면, 하나의 소자가 동작할 때 주변 소자에 의도치 않게 전류를 흘리게 되어 전체적으로 오동작하게 된다.

isolation 공정 기법

이와 같이 소자 사이를 전기적으로 분리하는 isolation 공정 기법에는 대표적으로 2가지가 있다. 과거 방식인 LOCOS와 최신 방식인 STI 기법이 있다. 두 기법을 각각 살펴볼 것인데 이번 포스팅에서는 LOCOS 기법에 관해 먼저 알아보도록 하겠다.

LOCOS (LOCal Oxidation of Silicon) 개념

과거에 주로 사용되던 isolation 기법인 LOCOS 기법에 관해 먼저 알아보도록 하겠다. LOCOS란 LOCal Oxidation of Silicon의 약자로, 용어를 보면 바로 알 수 있듯이 Si 기판의 일부 영역에 oxide를 형성하는 방식이다. 즉, 개별 소자 사이에 두꺼운 oxide 막을 형성하여 소자를 전기적으로 분리시키는 것이다. 소자 사이의 빈 영역에 oxide막을 단순히 growth 시키기만 하면 된다.

LOCOS 공정

아래 그림과 함께 공정 과정을 살펴보면 다음과 같다. 우선 thermal oxidation 공정으로 wafer 위에 pad oxide (매우 얇은 silicon oxide(SiO2) 막)를 형성한다. thermal oxidation 공정을 한 번 더 진행하여, pad oxide 위에 oxide barrier 역할(oxdie가 더 두껍게 성장하지 못하도록 막는 역할)을 하는 silicon nitride (Si3N4) 막을 형성한다. 그런 뒤 photo, etch 공정을 통해 nitride 막을 패터닝 한다. nitride 막이 남아있는 부분이 실제 소자(트랜지스터)가 형성될 영역이고, nitride 막이 제거된 부분이 소자 간 분리를 위해 oxide를 더 두껍게 형성할 영역이다. thermal oxidation 공정을 통해 oxide를 growth (두껍게 성장)시키면, nitride 막이 없는 부분의 oxide만 두꺼워진다. 마지막으로 nitride 막을 제거하면 LOCOS 공정이 종료된다.

LOCOS 공정 진행 과정, 이미지 출처 https://www.iue.tuwien.ac.at/phd/hollauer/node7.html

LOCOS 장단점

우선 장점은 첫째, 공정이 간단하다는 점이다. 패터닝을 한 번만 진행하면 되고, thermal oxidation 공정은 비교적 단순한 공정에 속하기 때문에 전체적으로 공정이 간단하다. 둘째, 막질이 dense하다. (막질 퀄리티가 우수하다.) 왜냐하면 thermal oxidation으로 oxide를 형성하기 때문에 dense 한 막질을 쉽게 얻을 수 있다. 특히 고온으로 진행하면 막질이 dense 해진다. 단점은 bird's beak라는 불량이 발생한다는 점이다. bird's beak란 oxide가 소자 밑으로 침투하여 소자를 위로 휘게 만드는 현상이다. 밑으로 파고든 oxide의 모양이 새 부리를 닮았다고 하여 그러한 이름이 붙여졌다. bird's beak 불량이 발생하면 소자의 동작에 악영향을 미치게 된다. 특히 소자가 미세화 될수록 소자를 더 심하게 휘어버린다는 문제점이 있다. 이 단점을 개선하기 위해 새롭게 개발된 기법이 STI 기법이다. STI 기법에 관해서는 다음 포스팅에서 알아보도록 하겠다.

LOCOS 기법에 의해 발생하는 bird's beak 불량