산화 — 실리콘을 태워 절연막을 만든다

실리콘이 반도체 재료의 자리를 굳힌 결정적인 이유 중 하나는 자기 자신을 태워 훌륭한 절연막을 만든다는 점입니다. 고온에서 산소를 만나면 표면이 SiO₂로 바뀌고, 이 막은 절연성이 좋고 실리콘과의 계면이 깨끗합니다. 게이트 산화막, 소자 분리, 주입 마스크, 표면 보호까지 쓰임새가 넓습니다.

산화는 표면에 얹히는 게 아니라 실리콘을 먹는다

가장 먼저 눈에 익혀야 할 사실은 산화막이 실리콘 위에 쌓이는 것이 아니라 실리콘을 소모하며 자란다는 점입니다. 산화막 두께의 약 44%만큼 실리콘이 사라지고, 나머지 56%가 원래 표면 위로 올라옵니다. 시뮬레이션에서 보라색 점선이 산화 전 원래 표면이고, 그 선을 기준으로 아래위로 막이 자라는 모습이 이 관계를 보여 줍니다.

두 개의 구간: 표면 반응과 확산

산소가 산화막을 통과해 계면까지 도달한 다음 반응해야 막이 자랍니다. 이 두 단계를 하나로 묶은 것이 Deal-Grove 모델입니다.

막이 얇을 때는 산소가 계면에 쉽게 도달하므로 표면 반응 속도가 전체 속도를 정하고, 두께가 시간에 거의 비례합니다(선형 영역). 막이 두꺼워지면 산소가 막을 건너오는 데 시간이 걸려 확산이 속도를 정하고, 두께는 시간의 제곱근에 비례합니다(포물선 영역). 오른쪽 곡선이 처음엔 가파르다가 점점 눕는 이유입니다.

건식과 습식

건식(O₂)은 느리지만 치밀하고 계면 품질이 좋아 게이트 산화막처럼 얇고 중요한 막에 씁니다. 습식(H₂O)은 물 분자가 산화막 속을 훨씬 잘 지나다니기 때문에 훨씬 빠르며, 두꺼운 필드 산화막을 실용적인 시간에 만들 때 씁니다. 같은 온도에서 두 곡선을 비교해 보면 차이가 한눈에 들어옵니다.

온도를 올릴 때 치러야 하는 비용

산화 속도는 온도에 지수적으로 민감해서 온도를 올리는 것이 가장 빠른 해결책처럼 보입니다. 하지만 고온은 이미 넣어 둔 도펀트를 확산시키고, 웨이퍼를 휘게 하며, 슬립 결함을 만듭니다. 그래서 공정 순서에서 뒤로 갈수록 허용되는 열 예산이 줄고, 온도 대신 시간이나 분위기로 두께를 맞추게 됩니다.

• 건식 1000 °C에서 두께가 10 nm를 넘기려면 시간이 얼마나 필요한지 확인해 보세요.
• 같은 두께를 습식으로 만들면 시간이 얼마나 줄어드는지 비교해 보세요.
• 온도를 900 °C와 1100 °C로 바꿔 가며 곡선의 기울기가 어떻게 달라지는지 보세요.