반도체는 8대 공정을 거쳐서 탄생합니다.
그중 산화 공정은 반도체 제조에서 소자의 성능과 신뢰성을 결정짓는 핵심 단계라고 할 수 있습니다.
따라서 이번 글에서는 산화 공정의 주요 특징 5가지를 심도 있게 알아보도록 하겠습니다.
1. 고온 열처리 기반의 산화 반응
반도체 산화 공정은 주로 열 산화(Thermal Oxidation) 방식으로 이루어집니다.
이 과정에서는 먼저 실리콘 웨이퍼를 900도에서 1,200도 사이의 고온 환경에 노출시킵니다.
그 후 산소(O₂)나 수증기(H₂O)를 주입합니다.
그 결과 실리콘 표면과 산소가 반응하게 되어 실리콘 산화물(SiO₂)이 형성됩니다.
형성된 그 얇은 막은 전기적 절연성과 보호 기능을 동시에 제공합니다.
이러한 산화층의 품질은 온도와 산화 시간에 따라 달라지기도 합니다.
건식인지 습식인지와 같은 산화 분위기에 따라 달라지기도 합니다.
즉, 정밀한 공정 제어가 필수적으로 요구됩니다.
특히 건식 산화는 얇은 산화막을 형성할 때 사용됩니다.
대신 습식 산화는 두꺼운 산화막을 빠르게 형성할 수 있습니다.
2. 정전기적 절연 및 소자 보호
이러한 위와 같은 산화 공정을 거치면 산화막(SiO₂)이 생성됩니다.
만들어진 산화막은 반도체 회로의 필수적인 절연체 역할을 합니다.
특히 트랜지스터의 게이트 산화막이나 상호 배선 층 사이에서 전류가 누설되지 않도록 차단해 주는 기능도 중요합니다.
또한 산화막은 이후 공정에서 플라즈마 식각, 금속 증착 등의 물리적, 화학적 스트레스로부터 실리콘 기판을 보호하는 역할도 합니다.
이렇듯 전반적인 칩의 성능은 산화막의 두께와 균일성, 순도 등에 큰 영향을 받습니다.
3. 고집적화를 위한 정밀 두께 제어
현대 반도체는 5nm 이하의 초미세 공정 노드 시대에 접어들었습니다.
산화막 두께 역시 나노미터 단위의 정밀한 제어가 요구됩니다.
대표적으로 고성능 로직 소자에서는 1nm 이하의 게이트 산화막이 필요합니다.
이러한 정밀한 제어를 위해 원자층 증착(ALD) 방식이나 화학기상증착(CVD) 등의 기술이 함께 활용되기도 합니다.
그중에서도 열 산화 방식은 여전히 가장 높은 산화막 품질을 보장합니다.
2025년 현재도 핵심 공정으로 유지되고 있습니다.
4. 다양한 산화 방식의 병행 사용
산화 공정은 단일 방식만으로는 이루어지지 않습니다.
건식 산화, 습식 산화, 급속 열처리(RTA), 플라즈마 산화 등 다양한 기술이 공정 단계별로 조합되어 사용됩니다.
각각의 단계에 맞는 방식을 사용해야 합니다.
예를 들어 건식 산화는 고품질의 얇은 산화막 형성에 적합합니다.
반대로 빠르게 두꺼운 산화막을 형성해야 할 때는 습식 산화를 사용해야 합니다.
급속 열처리(RTA) 방식을 활용하면 짧은 시간에 고온 처리를 진행할 수 있습니다.
빠른 시간에 원하는 특성을 얻을 수 있습니다.
플라즈마 산화는 저온에서도 산화막 형성이 가능합니다.
주로 3D 구조 공정에 적합하여 많이 사용되고 있습니다.
이처럼 각각의 산화 방식은 그 목적과 구조에 따라 전략적으로 선택됩니다.
궁극적으로는 소자의 특성과 성능 향상에 기여할 수 있습니다.
5. 차세대 기술과의 융합
2025년 최근에는 FinFET, GAA FET 등 3차원 소자 구조가 확대되고 있습니다.
그에 따라 산화 공정도 한층 복잡해지고 있습니다.
특히 GAA 구조에서는 게이트 전극이 채널을 전면적으로 감싸는 구조로 형성되어 있습니다.
측면 및 하부 산화막 형성 과정이 매우 중요하다고 할 수 있겠습니다.
또한 고유 전율 물질(HKMG)과의 조합을 통해 산화막의 한계를 극복하려는 시도도 활발히 이루어지고 있습니다.
이러한 기술 변화는 산화 공정의 유연성과 정밀도를 더욱 요구하고 있습니다.
현재는 하이브리드 산화 공정과 인공지능 기반의 공정 제어 기술이 연구되고 있습니다.
결론
산화 공정은 단순한 절연막 형성 단계가 아닙니다.
현재는 반도체 소자의 성능과 미세화 한계를 결정짓는 핵심 요소로 자리 잡고 있습니다.
고온 열처리 기반의 정밀한 산화, 다양한 절연 특성의 확보, 기술 융합에 따른 새로운 공정 방식은 반도체 산업의 미래를 좌우하는 중요한 키워드가 되었습니다.
앞으로도 반도체 산화 공정의 정밀도와 효율성 향상을 위한 연구와 기술 개발은 계속될 것으로 기대됩니다.
이는 반도체 미세화와 고성능화를 이끄는 밑거름이 될 것입니다.
이러한 반도체의 산화 공정 기술이 더욱 발전하면서 우리의 삶을 보다 윤택하게 만들어 주길 바랍니다.
오늘 글은 여기까지입니다.
긴 글 읽어주셔서 감사합니다.