열 산화는 실리콘 웨이퍼를 산화제와 열의 조합에 노출시켜 이산화규소(SiO2) 층을 만드는 것입니다. 이 층은 가장 일반적으로 수소 및/또는 산소 가스로 만들어지지만 모든 할로겐 가스를 사용할 수 있습니다. 이산화규소 성장은 주변 공기의 웨이퍼에서 약 20Å(옹스트롬) 두께까지 이루어지지만, 대부분의 사양에서 열산화물 성장은 열원을 사용하여 이 반응을 촉매하여 최대 25,000Å 두께의 산화물 층을 만듭니다.

열 산화물 웨이퍼에는 다양한 애플리케이션들이 있지만, 유전체 재료와 MEMS (미세 전자 기계 시스템) 장치에 주로 사용됩니다.

실리콘 웨이퍼에 열 산화를 수행하는 두 가지 주요 방법이 있으며, 그림 1과 같이 두 가지 방법 모두 웨이퍼 표면에 산소를 성장시켜야 합니다. 이는 산화층이 웨이퍼 위에 증착되는 CVD 애플리케이션과는 다릅니다.

첫 번째 방법은 일반적으로 얇은 건식 열 산화물 또는 임플란트 어닐링 애플리케이션에 사용되는 급속 열 처리(RTP)입니다. RTP에서 웨이퍼는 매우 짧은 시간 동안 1,000°C 이상으로 빠르게 가열됩니다. 몇 초 동안 노출된 후 웨이퍼는 균열을 방지하기 위해 실온으로 천천히 냉각됩니다. 그 결과 다양한 애플리케이션에 사용할 수 있는 얇은 이산화규소 층이 생성됩니다.

두 번째이자 더 일반적인 방법은 확산 (diffusion) 입니다. 열 산화물 확산은 ~800°C에서 1,100°C 사이에서 일어나며, 이 필름을 성장시키는 방법에는 '습식' 또는 '건식'의 두 가지가 있습니다.

습식 열 산화물

습식 열 산화물 필름은 일반적으로 더 두꺼운 이산화규소 층이 필요한 애플리케이션에 사용됩니다. 불순물을 방지하기 위해 이러한 필름은 일반적으로 열과 순수 증기의 조합을 사용하여 석영 튜브에서 성장합니다. 대부분의 주요 제조업체는 그림 2와 같이 퍼니스와 분리된 석영 튜브에 내장된 외부 히터를 사용합니다. 흔하지는 않지만 일부 시스템에서는 내부 화염을 사용하여 웨이퍼를 가열하기도 합니다. 산화 과정에서 외부 히터의 온도는 800°C 이상으로 올라갑니다. 이로 인해 가스가 자연 발화하여 점화원 없이도 푸른 불꽃을 생성합니다. 이 불꽃은 순수 증기를 생성하므로 습식 열 산화물이라는 이름이 붙었습니다. 순수 증기는 불꽃이 들어 있는 튜브를 통해 웨이퍼가 있는 퍼니스 안으로 이동합니다. 증기가 석영 챔버로 들어가면 증기가 팽창하여 퍼니스 전체에 고르게 분포됩니다.

그림 2와 같이 수평으로 세워지거나 수직으로 쌓인 웨이퍼는 목표 필름 두께에 따라 시간이 달라질 수 있으므로 몇 시간 동안 퍼니스 안에 있습니다. SiO2의 성장은 선형적이지 않으므로 웨이퍼가 1,000°C 퍼니스에 5시간 동안 있으면 약 10,000Å의 산화물 층이 형성되고, 동일한 웨이퍼가 24시간 동안 퍼니스에 남아 있으면 약 25,000Å의 층이 형성됩니다. 두 번째 웨이퍼는 퍼니스에 거의 5배 더 오래 있었지만 산화물층의 두께는 약 2배에 불과합니다. 이는 산화물층이 커질수록 산소가 디바이스층을 뚫고 실리콘 기판과 상호 작용하여 SiO2를 생성하기가 더 어려워지기 때문입니다.

건식 열 산화물

건식 열 산화물은 습식 산화물보다 이산화규소 층이 훨씬 얇고 공정이 훨씬 오래 걸립니다. 이러한 한계로 인해 건식 이산화규소 층은 1,000Å보다 두껍지 않습니다.

건식 열 산화물 성장은 습식 열 산화물과 매우 유사한 공정입니다. 유일한 차이점은 이 공정에서는 순수 증기 대신 분자 산소를 사용하여 디바이스층을 생성한다는 점입니다. 이를 통해 높은 균일성, 높은 유전체 강도, 고밀도 이산화규소 웨이퍼를 생산할 수 있습니다.

두꺼운 열 산화물

두꺼운 산화물은 2μm(20,000Å)보다 큰 이산화규소 층입니다.

더 두꺼운 산화물 층이 필요한 경우 일반적으로 습식 열 산화물을 사용하여 성장시킵니다. 이 기술은 건식 열 산화물보다 성장 속도가 훨씬 빠르며 훨씬 더 두꺼운 이산화규소 필름을 만들 수 있습니다.

두꺼운 산화물 애플리케이션:

습식 열 산화물은 일반적으로 핸들과 캐리어 웨이퍼 사이의 후막 실리콘 온 인슐레이터에 장벽으로 사용됩니다. 공구와 패드 파손을 위한 화학적 기계적 평탄화(CMP)에 사용되는 소모품입니다.

입자-민감 (Particle-Sensitive) 산화물

입자-민감 산화물은 성장 과정에서 가장 적은 수의 입자를 추가하면서 기판 위에 열 산화물을 성장시키는 공정입니다. 입자로부터 웨이퍼를 보호하기 위해 모든 공정은 클린룸에서 이루어집니다. 또한 시작 웨이퍼는 입자 오염을 최소화하기 위해 입자 수가 적고 공장 출고 시 포장된 상태여야 합니다.

이 코팅을 성장시키기 위해 웨이퍼는 석영 퍼니스 내부에서 습식 또는 건식 열 산화 과정을 거칩니다. 주변 환경의 입자로부터 웨이퍼를 보호하기 위해 깨끗한 석영 퍼니스를 사용하는 것이 중요합니다.