퍼니스는 무슨 일을 할까? 산화와 어닐링이란

퍼니스는 팹의 고온로다. 많은 웨이퍼를 한꺼번에 선반에 세워 아주 뜨거운 긴 관 속에 넣고 가열하며, 온도는 대개 섭씨 800~1,200도 사이다. 가장 많이 하는 일은 두 가지다. 열산화는 실리콘과 산소가 고온에서 반응해 이산화규소 층을 만드는 것이고, 어닐링은 열로 흐트러진 원자를 다시 제자리로 돌려놓는 것이다. 일부 박막도 퍼니스에서 성장시킨다.

퍼니스는 어떻게 생겼을까?

밖에서 보면 퍼니스는 대개 똑바로 선 높은 캐비닛이다. 안에는 석영으로 만든 긴 관이 있고, 그 바깥을 히터가 한 바퀴 감싸고 있다.

웨이퍼는 ‘보트’라고 부르는 석영 선반에 한 칸에 한 장씩 꽂는다. 그릇 건조대와 비슷하며, 한 번에 100장 넘게 꽂은 뒤 보트 전체를 아래에서 천천히 관 속으로 올려 넣는다.

한 번에 이렇게 많이 넣는 이유는 런 한 번이 승온부터 공정, 냉각까지 몇 시간씩 걸리고, 긴 것은 거의 하루가 걸리기 때문이다. 그 대가로 런 하나에 문제가 생기면 그 안의 웨이퍼 전체에 문제가 생긴다.

이 구역을 ‘확산 구역’이라고 부르는 팹도 많다. 예전에는 실리콘이 전기를 통하는 정도를 바꿀 때 고온로 안에서 다른 원자가 스스로 ‘확산’해 들어가게 했기 때문이다. 지금은 대부분 이온 주입으로 바뀌었다. 다른 구역이 무엇을 하는지는 ‘반도체 공장의 7개 공정 구역은 각각 무슨 일을 할까?’를 참고하면 된다.

열산화란?

실리콘을 공기 중에 두면 표면에 원래 아주 얇은 이산화규소 층이 생기는데, 철이 녹스는 것과 조금 비슷하다. 다른 점은 실리콘의 ‘녹’이 투명한 유리 층이라는 것이다. 이산화규소는 유리와 석영의 주성분이다. 전기가 통하지 않고 매우 평탄하게 자라서 칩에서 아주 쓸모 있는 절연층이 된다(반도체란? 참고).

하지만 상온에서는 이 층이 1~2nm 정도 자라면 멈춘다. 산소가 이미 자란 층을 뚫고 지나가야 실리콘에 닿는데, 상온에서는 그럴 만한 에너지가 없기 때문이다. 퍼니스에 넣어 가열하면 산소가 뚫고 지나갈 수 있어 산화막이 계속 아래로 자란다. 이것이 열산화다.

새 이산화규소는 아래쪽, 즉 산화막과 실리콘의 경계에서 생기며, 웨이퍼 자체의 실리콘을 소모한다. 100nm 두께의 산화막을 키우면 그중 약 44nm는 원래 실리콘이었으니, 거의 절반이 웨이퍼 안으로 ‘먹어 들어간’ 셈이다.

많은 공정에서 열산화로 키우는 가장 중요한 층은 트랜지스터 게이트 아래의 아주 얇은 절연층이다(트랜지스터란? 참고). 비교적 최신 공정에서는 이 층을 한 번에 한 장씩, 아주 빠르게 승온하는 장비로 키우기도 한다. 더 첨단 칩에서는 주된 층을 다른 절연 재료로 바꾸고, 원자층 증착(ALD)으로 한 층씩 깐다(박막 공정이란? 참고). 산화막은 가림막으로도 쓸 수 있다. 이온 주입 때 원자가 들어가지 않기를 바라는 곳을 먼저 산화막으로 덮어 둔다.

건식 산화와 습식 산화는 무엇이 다를까?

열산화에 쓰는 ‘산소’를 공급하는 방법은 두 가지다.

	건식 산화	습식 산화
흘려 넣는 것	순수한 산소 기체	수증기
자라는 속도	느리다	훨씬 빠르다
만들어지는 층	더 치밀하고, 실리콘과의 경계가 더 깨끗하다	조금 더 성기다
주로 쓰는 곳	가장 얇고 가장 중요한 몇 개 층	아주 두껍게 키워야 하는 곳

수분은 산화를 빠르게 하므로, 퍼니스 안에 조금이라도 더 들어온 수분까지 관리해야 한다. 그러지 않으면 예상보다 두껍게 자란다.

어닐링이란?

어닐링은 원래 금속 가공에서 쓰던 말이다. 금속을 가열했다가 천천히 식혀 흐트러진 구조를 다시 가지런하게 만드는 것이다. 팹은 이 말을 빌려 와, 웨이퍼를 일정 시간 가열해 원자가 움직여 있어야 할 자리로 돌아가게 한다는 뜻으로 쓴다.

가장 흔한 것은 이온 주입 뒤의 어닐링이다. 실리콘 원자는 원래 한 상자에 가지런히 담긴 귤처럼 질서 있게 배열되어 있다. 주입은 다른 원자를 빠른 속도로 쏘아 넣는 것인데(어떻게 쏘는지는 ‘이온 주입이란?’ 참고), 원자가 지나가며 부딪힌 자리마다 가지런한 배열이 흐트러진다. 쏘아 넣은 원자도 대부분 틈새에 끼어 있을 뿐, 어느 귤의 자리에도 앉지 못한다.

틈새에 낀 원자는 전기를 통하게 하는 데 도움이 되지 않는다. 가열하면 흐트러진 곳이 서서히 다시 배열되고, 쏘아 넣은 원자도 이때 실리콘 원자를 대신해 배열 속에 자리를 잡으면서 비로소 전기를 통하게 한다. 엔지니어는 이를 ‘활성화’라고 하는데, 쉽게 말하면 원자가 제자리에 들어선 것이다.

어닐링이 제대로 되었는지는 흔히 면저항으로 본다. 제자리에 들어선 원자가 많을수록 그 층이 전기를 잘 통하므로 면저항이 낮아진다.

어닐링에도 딜레마가 있다. 온도가 높고 시간이 길수록 원자가 제자리에 들어서기 쉽지만, 오래 가열할수록 쏘아 넣은 원자가 옆으로도 퍼져 만들어 둔 형태가 흐려진다. 그래서 어떤 어닐링은 지금도 퍼니스에서 한 번에 많은 장을 처리하고, 어떤 어닐링은 한 번에 한 장씩 몇 초만 가열하는 빠른 방식으로 바뀌었다.

퍼니스로 박막도 키울 수 있을까?

그렇다. 열산화는 실리콘이 산소와 직접 반응하게 하는 것이다. 퍼니스는 여러 가지 기체를 관 속에 넣고, 고온(대개 산화보다 낮은 온도)과 저압에서 웨이퍼 표면에서 반응시켜 새로운 재료 층을 깔 수도 있다. 실리콘 질화막이나 폴리실리콘이 그 예다. 이것은 화학기상증착의 한 종류이며, 다만 한 번에 많은 장을 처리한다는 점이 다르다. 막을 키우는 여러 방법은 ‘박막 공정이란?’을 참고하면 된다.

온도는 왜 아주 균일해야 할까?

산화가 얼마나 빨리 자라는지는 온도와 관계가 깊다. 온도가 조금 높으면 조금 더 빨리 자란다. 한 런에 100장 넘는 웨이퍼가 길게 늘어서 있는데, 위쪽이 아래쪽보다 뜨거우면 위쪽 웨이퍼가 아래쪽보다 두껍게 자란다. 집에 있는 오븐에서 위 칸과 아래 칸의 굽는 색이 다르게 나오는 것과 같다.

그래서 퍼니스는 가열을 여러 구간으로 나누고, 구간마다 자체 히터와 온도계(열전대)를 두어 따로 조정한다. 보트의 맨 위와 맨 아래는 온도와 기체 흐름이 가운데와 다르므로, 출하하지 않는 빈 웨이퍼(더미 웨이퍼)를 몇 장 끼워 받치고 제품은 모두 가운데 구간에 오게 한다.

런마다 위, 가운데, 아래처럼 서로 다른 위치에 모니터 웨이퍼를 몇 장 끼워 두고, 꺼낸 뒤 얼마나 두껍게 자랐는지 측정한다. 상하 편차가 평소보다 크면 온도 문제인지 기체 흐름 문제인지 조사해야 한다.

승온과 냉각도 천천히 해야 한다. 웨이퍼가 고르지 않게 가열되면 가장자리와 가운데의 팽창 정도가 달라져 실리콘의 배열이 당겨지며 어긋나고, 가장자리에 가는 선이 줄줄이 남는다. 이를 슬립 라인이라고 한다. 그래서 보트를 퍼니스에 넣고 뺄 때도 천천히 한다.

열 예산이란? 왜 가열할 때마다 따져야 할까?

원자는 고온에서 서서히 움직인다. 잉크 한 방울을 뜨거운 물에 떨어뜨리면 찬물보다 빨리 퍼지는 것과 같다. 골치 아픈 점은, 앞에서 실리콘에 쏘아 넣은 원자의 위치와 깊이는 계산해서 정해 둔 것인데, 그 뒤로 가열할 때마다, 그것이 산화든 어닐링이든 막 성장이든, 원자가 조금씩 더 움직여 형태가 서서히 흐려진다는 것이다.

그래서 엔지니어는 열 예산(thermal budget)이라는 계산을 한다. 웨이퍼 한 장이 일생 동안 고온에서 얼마나 뜨겁게, 얼마나 오래 있었는지를 모두 더한 총계다. 온도가 높을수록 더 무겁게 계산된다. 정해진 예산과 같아서 한번 쓰면 되돌릴 수 없다. 같은 고온 구간을 한 번 더 돌리면 결과가 원래와 달라진다.

이 계산은 처음부터 끝까지 짜야 한다. 앞 단계의 조건은 뒤에 이어지는 모든 가열을 미리 셈에 넣고 정해야 한다(공정 통합 엔지니어(PIE)는 무슨 일을 할까? 참고). 구조가 작을수록 원자가 조금만 움직여도 티가 나므로 예산은 더 빠듯해진다. 위에 금속 배선을 만든 뒤에는 다시는 1,000도가 넘는 퍼니스에 들어갈 수 없고, 수백 도까지만 쓸 수 있다.

fab24hr에서는

fab24hr에서 ‘출근’을 누르고 ‘직장인의 하루’를 고른 뒤, ‘오늘 나는’ 카드에서 ‘양산 팹’을 누르고 좌우로 넘겨 공정 엔지니어를 찾아 이름 아래의 ‘퍼니스’를 누르면 퍼니스 공정 엔지니어가 된다. 네 근무 중 어느 근무가 나오는지는 게임을 연 시간에 따라 정해진다. 확산팀의 퍼니스 두 대 FURN-01, FURN-02를 맡는다. 심야 근무에는 FURN-02가 공정 도중 멈춰, 100장이 든 런이 중간에 서 있다. 어느 구간 히터의 온도가 먼저 떨어졌는지, 레시피의 어느 단계가 끝나지 않았는지 찾은 뒤, 그 단계를 통째로 다시 돌릴지(열 예산을 한 단계 분량만큼 더 쓴다), 아니면 일단 홀드하고 모니터 웨이퍼를 측정한 뒤 남은 부분만 마저 돌릴지 정한다. 오전 근무에는 위, 가운데, 아래의 모니터 웨이퍼 세 장을 측정한다. 오후 근무에는 FURN-01의 상하 편차가 커졌는데, 오늘 밤 어닐링할 런이 하나 더 있다. 먼저 교정할지, 일정대로 돌릴지 정한다. 저녁 근무에는 보트에 웨이퍼를 싣기 전에 칸부터 살핀다.

같은 일의 장비 쪽은 퍼니스 장비 엔지니어(양산 팹 › 장비 › 퍼니스)가 맡는다. 열전대, 히터, 보트는 이 엔지니어의 몫이다. R&D 라인의 퍼니스 개발 공정 엔지니어는 트랜지스터 게이트 아래의 아주 얇은 산화막과 어닐링 조건을 조정한다. 이 역할들에는 모두 Beta 표시가 붙어 있다. 게임 속 회사, 인물, 장비 번호, 로트 번호, 숫자는 모두 가상이다. 퍼니스가 무슨 일을 하는지, 산화와 어닐링의 원리는 공개된 일반 자료를 바탕으로 썼다. 다른 업계 용어는 ‘반도체 공장 전문 용어, 쉬운 말로 풀이’에서 찾아볼 수 있다.