비 전공자도 쉽게 이해할 수 있는 반도체 산화 공정(Oxidation Process)

여러분 산화 공정에 대해 알고 계신가요? 궁금하시죠? 이번 피드에서는 산화 공정이 무엇인지, 산화 공정의 장점 및 단점, 그리고 단점을 개선하기 위한 노력을 알아보겠습니다.

산화 공정(Oxidation Process)이란?

산화공정에 대해 알아보도록 하겠습니다. 산화공정이란 무엇일까요? 산화공정이란 반도체 공정 체임버 안에서 웨이퍼의 표면에 산소를 주입하여 산화막을 형성하는 공정을 말합니다. 이러한 과정은 반도체 소자 간의 절연층을 만들어 서로 분리하게 시키는 역할을 하며, 특정 소자의 동작 특성을 개선하는 데 주로 사용합니다. 산화 공정은 산소를 이용하여 진행되고, 산화 막질은 실리콘 웨이퍼 위에 형성되기 떄문에 이산화규소(SiO2)의 형태로 존재하게 됩니다.

반도체에서는 산화막과 같은 절연층의 존재가 굉장히 중요합니다. 가장 기본적으로 반도체 소자에서 전류가 흘러야 하는 부분과 흐르지 않아야 하는 부분을 구분하여 동작 특성을 좋게 합니다. 그리고 산화막의 두께에 따라서 트랜지스터의 게이트 전압을 조절할 수 있습니다. 이는 전자의 이동을 제어할 수 있으며, 트랜지스터 동작을 자유롭게 조절하는 것을 가능케 합니다.

 

 Capacitor가 있는 DRAM의 경우, 이 Capacitor는 전하를 저장하는 창고로써 활용하는데, 이때 Capacitor의 절연층이 음극과 양극 사이를 전기적으로 차단합니다. 이렇게 함으로써 전하의 이동이 어려워지며, Capacitor의 기능을 제어할 수 있습니다. 이 밖에도 절연층의 역할은 반도체 소자의 신뢰성, 안정성, 그리고 성능을 유지하는 데에 있어서 아주 중요합니다. 

산화 공정의 장점

산화 공정의 장점에 대해 알아보겠습니다. 산화 공정의 여러 장점은 소자를 제조하는 데 아주 긍정적인 역할을 합니다.

 

1) 웨이퍼 위에 형성된 산화 막질은 화학적으로 안정성이 높습니다. 전기적, 화학적, 열적 안정성을 높여 전하의 자유 이동을 줄여주고, 산화나 부식에 강하며, 열로 인한 소자의 구조적인 변형이 일어나 불안정한 특성이 발생하지 않도록 합니다, 또한, 환경적인 변화에도 상당히 강해 반도체 소자의 신뢰성을 높여줍니다.

 

2) 산화막을 통해 웨이퍼 표면을 보호하고, 외부 환경에서 유입될 수 있는 문제를 방지할 수 있습니다. 산화막이 없으면 외부 환경의 수분이나 이물질이 침투할 수 있으며, 다른 화학물질과의 반응이 일어나는 것을 차단합니다.

 

3) 반도체 공정에서는 상대적으로 단순합니다. 다른 공정에 비해서 공정 절차가 까다롭지 않습니다.

 

4) 앞서 말한 것과 같이 트랜지스터의 게이트 전압을 조절할 수 있습니다. 이는 전자의 이동을 제어할 수 있으며, 트랜지스터 동작을 자유롭게 조절하는 것을 가능케 합니다.  

 

산화 공정의 단점

산화공정 또한 여러 이점이 있지만, 몇 가지 단점도 있습니다. 단점에 대해서도 한번 알아보도록 하겠습니다.

 

1) 반도체 소자의 미세화가 진행됨에 따라서 절연막의 두께를 조절하기가 어려울 수 있습니다. 소자의 크기에 비해 절연막이 너무 두껍게 형성이 되면, 전기적인 신호를 전달하는데 예상보다 큰 에너지를 활용해야 하는 단점이 있습니다.

 

2) 두꺼운 절연막이 생성되면, 소자의 동작 속도가 다소 느려질 수 있습니다. 낮은 에너지를 활용하여 빠른 동작을 유도하기 위해 미세화되고 있는 반도체 산업에서 속도의 영향은 큰 단점이 될 수 있습니다.

 

3) 웨이퍼 표면의 균일도에 따라서 절연막의 성장 속도와 품질이 다를 수 있습니다. 이는 산소의 분포를 불규칙하게 만들고, 절연막의 품질 또한 불규칙하게 만들 수 있습니다. 어느 공정이든 소자 간의 높은 품질과 균일도가 중요한 반도체 산업에서 치명적일 수 있습니다.

 

4) 산화 공정은 물리적으로 웨이퍼 표면에 먹을 형성하는 것이기 때문에 소자의 크기가 작아질수록 공간적인 한계가 존재합니다. 따라서, 산화막의 두께를 형성하는 긍정적 한계에 부딫할 수 있습니다. 

산화 공정의 단점을 개선하기 위한 노력

위와 같은 산화 공정의 단점을 개선하기 위해서 여러 기업과 학교에서는 어떤 노력을 하고 있는지 알아보도록 하겠습니다.

 

1) 산화에 사용되는 소재를 연구하고 있습니다. 전기적, 화학적, 열적 안정성을 높이는 신소재를 개발하여, 절연층의 두께가 얇더라고, 절연막의 기능을 충분히 수행할 수 있도록 연구 및 개발하고 있습니다. 고품질의 절연막은 소자의 동작 특성을 개선할 것입니다.

 

2) 더욱 정교한 공정을 진행할 수 있도록 연구하고 있습니다. 미세화가 진행됨에 따라 정교한 공정이 필수적으로 되었습니다. 이러한 공정은 웨이퍼의 전면에 절연막의 두께를 일관되게 성장시킬 것이며, 높은 제어율을 가질 수 있도록 합니다.

 

3) 다른 공정들과 마찬가지로 친환경적인 방법이 연구되고 있습니다. 단점을 개선하는 물질이 있더라도 환경에 치명적인 문제를 일으키면 소용이 없듯이, 친환경적인 공정 개발을 하도록 힘쓰고 있습니다.

 

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