고온 전기로는 반도체 공정에서 기본이 되는 장비입니다. 고온 전기로 안에 웨이퍼를 넣고 온도를 올린 뒤 반응 기체들을 흘리면 에피택시, 열 산화, 증착, 확산, 열처리, 그리고 합금 공정 등, 다양한 공정들을 행할 수 있습니다. 특히 고온에서 이루어지는 공정이 에피택시와 열 산화입니다. 에피택시는 웨이퍼 위에 단결정층을 성장하는 공정입니다. 이 과정에서 웨이퍼 표면은 시드 결정(seed crystal)의 역할을 하며, 성장되는 결정은 웨이퍼와 같은 결정 구조와 방향성을 가지게 되죠. 실리콘 반도체 공정에서는 보통 전도 형태(type)나 전도도가 크게 다른 영역을 제공하기 위하여 사용됩니다. 이러한 에피택시 공정은 실리콘 웨이퍼 제조 업체로부터 수행되어 제공되는 경우도 많습니다.
산화 공정을 거치는 이유는 웨이퍼에 절연막 역할을 하는 실리콘 산화막을 형성하여 회로와 회로 사이에 흐를 수 있는 누설 전류를 막기 위해서입니다. 산화막은 또한 식각 공정에서 특정 영역을 식각으로부터 보호하는 식각 방지막 역할, 도핑 공정에서 역시 일정 영역의 도핑을 막아주는 도핑 방지막 역할도 합니다. 특히, 양질의 산화막을 얻기 위해서는 낮은 온도에서 실리콘과 산소를 각각 함유한 기체들 간의 반응을 이용하는 증착(deposition)보다는 높은 온도에서 산소나 물분자가 실리콘 웨이퍼의 표면에 용해되어 내부로 확산되면서 실리콘 원자들과 반응을 하는 열 산화(thermal oxidation)가 더 효과적입니다. 예를 들어 열 산화막은 물 위에 얼음이 어는 경우이며, 증착은 얼음 위에 눈이 쌓이는 경우에 해당한다고 생각할 수 있습니다. 여기에서는 고온에서의 열 산화 공정을 설명합니다.
열 산화 공정은 대략 섭씨 800도에서 1,200도 정도의 범위에서 일어납니다. 이러한 고온의 전기로 안에 웨이퍼를 놓고 산소나 수증기를 흘려주면 이들이 실리콘 표면으로부터 내부로 용해, 그리고 확산이 일어나면서 실리콘 원자와 반응을 하여 실리콘 산화막이 성장됩니다. 산소를 이용한 경우를 건식 산화(dry oxidation), 수증기의 경우 습식 산화(wet oxidation)이라 하죠. 성장 속도는 느리지만 밀도가 높은 산화막을 필요로 하는 경우에는 건식 산화를 하고, 반면에 밀도는 다소 낮더라도 빠른 성장이 필요할 경우에는 습식 산화를 합니다. 이는 산소에 비해 수증기가 더 큰 용해도를 갖기 때문이죠. 그리고 성장된 열 산화막 두께의 45% 정도는 실리콘 웨이퍼를 잠식하면서 얻어집니다.
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