실리콘 웨이퍼의 열산화
산화는 집적회로(IC)를 만들기 위한 실리콘 웨이퍼 제조의 필수 단계입니다. 이 프로세스는 집적회로의 상호 연결된 다중 레벨 레이어 간의 전기적 절연과 같은 바이폴라 및 MOS(금속 산화물 반도체) 트랜지스터에 많은 이점을 제공합니다. 산화는 또한 표면 패시베이션을 제공하여 부식에 대한 장벽을 생성합니다. 산화의 또 다른 이점은 기판에 불순물이 주입되는 것으로부터 집적회로를 보호하는 것입니다. 산화 실리콘 웨이퍼의 응용 실리콘 웨이퍼를 산화시키는 공정에는 웨이퍼의 대부분을 구성하는 순수한 실리콘 위에 이산화규소(SiO2) 층을 생성하기 위해 열을 사용하는 다양한 특정 기술이 포함됩니다. 열 산화는 실리콘과 SiO2 층 사이의 계면에서 낮은 밀도의 전하를 필요로 하는 응용 분야에 가장 유용합니다. 다중 레벨을 가진 집적회로는 금속 층 위에 SiO2 층을 생성하기 위해 기상 산화가 필요하지만 이 프로세스는 열 산화보다 품질이 낮은 산화물 층을 생성합니다. 열산화 기술은 일반적으로 건식 산화와 습식 산화로 분류할 수 있습니다. 바람직한 방법은 일반적으로 산화층의 원하는 특성, 특히 두께에 따라 다릅니다. 집적회로가 안정적으로 작동하려면 산화물 층의 순도도 매우 높아야 합니다. 산화의 종류 건식 산화는 화학반응식 Si + O2 -> SiO2에 표시된 대로 산소를 사용합니다. 규소 원자는 산소 분자와 직접 반응하여 1 분자의 이산화규소를 생성합니다. 이러한 유형의 산화는 계면에서 전하가 낮은 얇은 산화물 층에 가장 적합합니다. 건식 산화는 또한 나트륨 원자에 의한 오염이 우려되는 경우 선호되는 공정입니다. 습식 산화는 Si + 2H2O -> SiO2+2H2 방정식을 기반으로 합니다. 수증기 형태의 물은 실리콘과 반응하여 이산화규소와 수소 가스를 생성합니다. 이 공정은 상대적으로 낮은 온도와 높은 압력으로 두꺼운 산화막을 생성하는 데 사용됩니다. 실리콘 웨이퍼의 열산화 공정 1. 실리콘의 열 산화는 일반적으로 보트로 알려진 석영 랙에 실리콘 웨이퍼를 놓고 석영 열 산화로에서 가열되는 것으로 시작됩니다. 노의 온도는 표준 압력에서 섭씨 950도에서 1,250도 사이일 수 있습니다. 웨이퍼를 원하는 온도의 약 섭씨 19도 이내로 유지하려면 제어 시스템이 필요합니다. 2. 수행되는 산화 유형에 따라 열 산화로에 산소 또는 증기가 사용됩니다. 3. 이러한 가스의 산소는 기판 표면에서 산화물 층을 통해 실리콘 층으로 확산됩니다. 산화층의 조성 및 깊이는 시간, 온도, 압력 및 가스 농도와 같은 매개변수에 의해 정밀하게 제어될 수 있습니다. 고온은 산화 속도를 증가시키지만 불순물과 실리콘과 산화물 층 사이의 접합부의 이동도 증가시킵니다. 이러한 특성은 복잡한 집적회로의 경우와 같이 산화 공정에 여러 단계가 필요한 경우 특히 바람직하지 않습니다. 온도가 낮을수록 더 높은 품질의 산화막이 생성되지만 성장 시간도 늘어납니다. 이 문제에 대한 일반적인 해결책은 상대적으로 낮은 온도와 높은 압력에서 웨이퍼를 가열하여 성장 시간을 줄이는 것입니다. 다른 모든 요소가 같다고 가정할 때 1 기압(atm)이 증가하면 필요한 온도가 섭씨 20도 정도 낮아집니다. 열 산화의 산업적 응용은 섭씨 700도에서 900도 사이의 온도에서 최대 25 기압의 압력을 사용합니다. 산화물 성장 속도는 처음에는 매우 빠르지만 산소가 실리콘 기판에 도달하기 위해 더 두꺼운 산화물 층을 통해 확산되어야 하므로 느려집니다. 산화가 완료된 후 산화물 층의 거의 46%가 원래 기질을 관통하여 기질 위에 산화물 층의 54%가 남습니다. 다양한 유형의 산화에 따른 성장률 습식 산화는 건식 산화보다 성장률이 높으며 다른 모든 요인은 동일합니다. 습식 산화로 0.1미크론(um)의 층을 성장시키는 데 필요한 시간은 일반적인 조건에서 약 1.5시간인 반면 건식 산화는 약 2.5시간이 필요합니다. 그러나 습식 산화는 불순물이 더 많은 산화물도 생성합니다. 따라서 건식 산화는 안정적인 성능에 필요한 매우 높은 산화물 순도 때문에 MOS 집적회로에 선호되는 접근 방식입니다. VLSI(very-large-scale-integration)를 사용하는 집적회로에는 2~20nm 범위의 산화물층이 있습니다. 이러한 얇은 산화물 층은 낮은 온도와 압력을 사용하는 특수 기술로 만들어져야 성장 속도가 느려집니다. 이 공정의 일반적인 온도는 섭씨 약 950도이며 압력은 표준 대기의 1/760인 0.2~2 Torr입니다. 얇은 산화물 층은 섭씨 1,000도의 초기 온도에서 염산(HCL)을 사용하여 성장할 수도 있습니다. 그런 다음 아산화질소(N2O)를 도입하고 온도를 섭씨 1,250도까지 올려 두께를 정밀하게 제어합니다. 최대 30nm 두께의 산화물은 섭씨 750도의 온도와 10 기압의 압력을 결합하는 또 다른 기술로 30분 이내에 성장할 수 있습니다. 도펀트용 마스킹 SiO2는 산화물 층을 통한 도펀트의 확산에 대한 장벽 또는 마스크 역할을 합니다. 도펀트는 이 층 근처에 축적되는 경향이 있으므로 산화 중에 이러한 확산이 발생하지 않도록 예방 조치를 취해야 합니다. 도펀트 확산은 실리콘보다 산화물을 통해 더 느리므로 산화물 두께를 모니터링하여 약하게 도핑된 기판의 반전을 방지할 수 있습니다. 이 목적을 위해 사용되는 산화물 층은 일반적으로 0.5~0.7㎛의 두께를 갖는다. 이 마스킹 특성은 실리콘이 부분적으로 SiO2로 변환될 때만 효과적입니다. SiO2의 최적 농도와 구조는 주로 반도체 유형에 따라 다른 도펀트에 따라 다릅니다.
