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반도체 입문 · 9강

퍼니스: 고온 산화와 어닐링

많은 공정에서 트랜지스터 게이트 아래의 아주 얇은 절연층은 퍼니스에서 고온으로 성장시킨다. 주입한 원자도 가열을 거쳐야 비로소 전도에 기여하기 시작한다. 하지만 가열할 때마다 앞서 만든 구조가 조금씩 더 움직이므로, 열은 처음부터 끝까지 따져야 한다.

학습 목표

퍼니스 모식도: 수직으로 선 석영관 바깥을 히터가 둘러싸고, 웨이퍼는 보트에 한 칸에 한 장씩 꽂혀 보트째 아래에서 관 안으로 올라간다. 산소나 수증기를 흘려 넣으며, 온도는 대개 800~1200도다. 오른쪽은 열산화: 산소가 산화막을 뚫고 들어가 실리콘과의 경계에서 새 이산화실리콘이 자란다. 100nm 두께의 산화막 가운데 약 44nm는 원래 실리콘이었다.
퍼니스는 한 번에 웨이퍼 100장 넘게 굽는다(모식도). 열산화로 자란 이산화실리콘은 절반 가까이가 웨이퍼 속으로 ‘먹어 들어간’ 것이다.

한 단계씩

  1. 퍼니스에 넣기 전에 웨이퍼를 철저히 세정한다.

    이유표면의 금속과 유기물이 고온에서 함께 구워져 들어간다.

    하지 않으면성장한 산화막의 품질이 나빠지고, 금속이 실리콘 속으로 파고들어 트랜지스터에 누설 전류가 생기기 쉽다.

  2. 보트에 꽂는다: 양 끝에는 더미 웨이퍼, 가운데에는 제품, 위·가운데·아래에는 모니터 웨이퍼.

    이유보트의 맨 위와 맨 아래는 온도와 가스 흐름이 가운데와 다르다.

    하지 않으면제품을 양 끝에 두면 가운데의 제품과 다르게 자란다.

    퍼니스 보트 로딩: 더미 웨이퍼, 제품 웨이퍼, 모니터 웨이퍼를 차례로 꽂는다
    게임 fab24hr의 화면이다. 장비, 로트 번호, 인물은 모두 허구다. 게임에서 이 장면 플레이하기 →
  3. 보트를 관 안으로 천천히 올리고, 천천히 승온한다.

    이유너무 빨리 승온하면 웨이퍼가 고르게 가열되지 않아 가장자리와 가운데가 다르게 팽창한다.

    하지 않으면실리콘의 원자 배열이 당겨져 어긋나고, 가장자리에 줄무늬 같은 슬립 라인이 남는다.

  4. 목표 온도에 이르면 이 런의 공정을 한다: 열산화로 절연층을 성장시키거나, 이온 주입 뒤의 어닐링을 한다.

    이유가열하면 산소가 이미 자란 산화막을 뚫고 아래로 자라 들어가고, 어닐링은 흐트러진 원자 배열을 되돌린다.

    하지 않으면어닐링을 하지 않으면 주입한 원자가 틈새에 끼어 있어 전도에 보탬이 되지 못한다.

  5. 언로딩 후 위·가운데·아래의 모니터 웨이퍼를 측정한다: 산화는 두께, 어닐링은 면저항을 본다.

    이유온도가 조금만 달라도 자라는 결과가 달라지고, 제자리를 잡은 원자가 많을수록 면저항이 낮다.

    하지 않으면측정하지 않으면 이 런의 위아래가 똑같이 자랐는지 알 수 없고, 런 하나에 문제가 생기면 들어 있던 웨이퍼 전체가 영향을 받는다.

  6. 모든 가열을 열 예산(웨이퍼 한 장이 일생 동안 받는 열의 총계)에 기록하고, 처음부터 끝까지 계획한다.

    이유가열할 때마다 앞서 주입한 원자가 조금씩 더 움직여, 만들어 둔 형상이 차츰 흐려진다.

    하지 않으면처음부터 계획하지 않으면 나중에야 열을 초과해 썼다는 것을 알게 된다. 그때는 앞서 만든 형상이 이미 흐려졌고, 쓴 예산은 되돌릴 수 없다.

조정하는 것과 조심할 점

핵심 설명

퍼니스가 하는 일: 백 장 넘는 웨이퍼를 한 번에 가열

퍼니스는 팹의 고온로다. 백 장이 넘는 웨이퍼를 석영 거치대에 꽂아, 온도가 대개 섭씨 800~1,200도인 긴 관 안으로 넣는다. 퍼니스가 가장 많이 하는 일은 두 가지다. 하나는 열산화로, 고온에서 실리콘과 산소가 반응해 전기가 통하지 않는 이산화실리콘층을 성장시킨다. 많은 공정에서 가장 중요한 것은 트랜지스터 게이트 아래의 아주 얇은 절연층이다(비교적 새로운 공정에서는 흔히 한 장씩 빠르게 성장시키고, 최첨단 공정에서는 원자층 증착으로 다른 절연 재료를 덧입히기도 한다. 박막을 다루는 강 참고). 다른 하나는 어닐링으로, 이온 주입 때 흐트러진 원자 배열을 되돌려야 주입된 원자가 비로소 전도에 기여한다. 일부 박막도 퍼니스에서 성장시킨다. 런 한 번은 승온부터 처리, 강온까지 몇 시간이 걸리고 길면 하루 가까이 걸리기 때문에, 한 번에 많은 웨이퍼를 넣어야 수지가 맞는다. 대신 런 하나에 문제가 생기면 들어 있던 웨이퍼 전체가 영향을 받는다.

산소가 이미 자란 층을 뚫고 지나가야 하므로 가열한다

실리콘을 공기 중에 두면 표면에 저절로 아주 얇은 이산화실리콘층이 자란다. 쇠에 녹이 스는 것과 비슷하지만, 이 ‘녹’은 투명한 유리다. 상온에서는 1~2nm까지 자라고 멈춘다. 산소가 이미 자란 층을 통과해야 실리콘에 닿을 수 있는데, 그만한 에너지가 없기 때문이다. 가열하면 산소가 그 층을 뚫고 들어가, 새 이산화실리콘이 아래쪽 실리콘과의 경계면에서 계속 자란다. 이때 소모되는 것은 웨이퍼 자체의 실리콘이다. 산소를 공급하는 방식은 두 가지다. 건식 산화는 순수한 산소를 흘려 보내며, 성장은 느리지만 막이 더 치밀해서 가장 얇고 가장 중요한 층에 쓴다. 습식 산화는 수증기를 흘려 보내며 훨씬 빨라서 두껍게 키워야 하는 곳에 쓴다. 그래서 퍼니스 안에서는 아주 조금 더해진 수분까지 관리해야 한다. 그러지 않으면 예상보다 두껍게 자란다.

어닐링: 주입한 원자가 제자리를 잡게 한다

실리콘 원자는 원래 상자에 가지런히 담긴 귤처럼 규칙적으로 배열되어 있다. 이온 주입은 다른 원자를 빠른 속도로 박아 넣기 때문에 이 배열이 흐트러지고, 주입된 원자도 대부분 틈새에 끼어 있어 전도에 보탬이 되지 못한다. 가열하면 흐트러진 곳이 서서히 제 배열로 돌아가고, 주입된 원자가 실리콘 원자의 자리에 들어가 앉아야 비로소 전도에 기여한다. 이를 활성화라고 한다. 제대로 되었는지는 흔히 면저항으로 본다. 제자리를 잡은 원자가 많을수록 전기가 잘 통하고 면저항이 낮아진다. 어닐링에도 딜레마가 있다. 온도가 높고 시간이 길수록 더 많은 원자가 제자리를 잡지만, 오래 가열할수록 원자가 옆으로도 퍼져 나가 만들어 둔 형상이 흐려진다. 그래서 어떤 어닐링은 여전히 퍼니스에서 런 단위로 하고, 어떤 어닐링은 한 번에 한 장씩 몇 초만 가열하는 급속 열처리 방식으로 바뀌었다.

퍼니스 안의 단계: 보트 로딩에서 언로딩까지

퍼니스에 들어가기 전에 웨이퍼는 먼저 철저히 세정해야 한다. 표면의 금속과 유기물이 고온에서 함께 구워져 들어가기 때문이다. 다음으로 보트라고 부르는 석영 거치대에 한 칸에 한 장씩 꽂는다. 보트의 맨 위와 맨 아래는 온도와 가스 흐름이 가운데와 다르므로, 양 끝에는 출하하지 않는 더미 웨이퍼를 몇 장 두고, 제품은 가운데에 놓으며, 위·가운데·아래에 모니터 웨이퍼(출하하지 않고 장비 점검에만 쓰는 웨이퍼)를 끼워 둔다. 보트는 아래에서 관 안으로 천천히 올라가고, 온도도 천천히 올린다. 너무 빨리 승온하면 웨이퍼가 고르게 가열되지 않아 가장자리와 가운데가 서로 다르게 팽창하고, 가장자리에 줄무늬 같은 슬립 라인이 남는다. 목표 온도에 이르면 가스를 흘려 보내고(산화라면 산소) 일정 시간 유지한 뒤, 마지막에 천천히 온도를 내린다. 단계마다의 온도, 가스, 시간은 모두 하나의 레시피(장비가 따라 실행하는 설정)에 적혀 있다.

이 런은 제대로 되었는가: 위·가운데·아래의 모니터 웨이퍼를 본다

산화막이 자라는 속도는 온도와 관계가 깊다. 온도가 조금 높으면 조금 빨리 자란다. 한 런의 웨이퍼 백여 장이 길게 줄지어 있는데, 위쪽이 아래쪽보다 뜨거우면 위쪽 웨이퍼가 아래쪽보다 두껍게 자란다. 그래서 퍼니스는 가열을 여러 구역으로 나누고, 구역마다 따로 히터와 온도계(열전대)를 두어 각각 조절한다. 런이 끝나면 위·가운데·아래의 모니터 웨이퍼에서 산화막이 얼마나 두껍게 자랐는지 측정한다. 투명한 산화막은 빛으로 두께를 잴 수 있다. 상하 편차가 평소보다 크면 온도와 가스 흐름 중 어디에 문제가 생겼는지 조사해야 한다. 어닐링이 제대로 되었는지는 면저항을 측정해 본다. 이 수치들은 관리도에 찍어, 서서히 치우치고 있지 않은지 지켜본다.

열 예산: 모든 가열을 장부에 적고, 처음부터 끝까지 계획한다

원자는 고온에서 서서히 움직인다. 잉크 한 방울이 찬물보다 뜨거운 물에서 더 빨리 퍼지는 것과 같다. 앞서 실리콘에 주입한 원자는 위치와 깊이를 계산해서 넣은 것이다. 이후의 가열은 산화든 어닐링이든 막 성장이든 매번 그 원자들을 조금씩 더 움직이게 해, 형상이 차츰 흐려진다. 그래서 엔지니어는 열 예산(thermal budget)을 따진다. 웨이퍼 한 장이 일생 동안 얼마나 높은 온도에서 얼마나 오래 있었는지를 합산한 장부로, 한번 쓰면 되돌릴 수 없다. 이 장부는 처음부터 끝까지 계획해야 한다. 앞 단계의 조건을 정할 때 뒤에 이어질 모든 가열을 미리 계산에 넣어야 하고, 구조가 작을수록 예산은 빠듯해진다. 웨이퍼 위에 금속 배선을 만든 뒤에는 더 이상 1,000도가 넘는 퍼니스에 넣을 수 없고, 수백 도까지만 쓸 수 있다.

흔한 오해

흔히 듣는 말산화막은 웨이퍼 표면 위에 덧쌓는 것이다.
실제로는열산화에서는 산소가 이미 자란 층을 뚫고 들어가, 아래쪽 실리콘과의 경계면에서 새 이산화실리콘을 만든다. 소모되는 것은 웨이퍼 자체의 실리콘이다. 산화막이 100nm 자라면 그중 약 44nm는 원래 실리콘이었던 부분이다. 바깥에서 재료를 공급해 맨 위에 덮는 것은 증착으로, 대부분 박막 구역에서 한다. 퍼니스도 가스를 써서 이런 방식으로 실리콘 질화막이나 폴리실리콘을 한 층 입힐 수 있다.
흔히 듣는 말어닐링은 온도가 높을수록, 오래 구울수록 좋다.
실제로는온도가 높고 시간이 길면 원자가 제자리를 잡기 쉽다. 하지만 오래 가열할수록 주입한 원자가 옆으로도 퍼져 만들어 둔 형상이 흐려지고, 모든 가열은 열 예산에 기록되어 한번 쓰면 되돌릴 수 없다. 그래서 어닐링은 충분히 하되 너무 오래 해서는 안 되며, 일부는 한 번에 한 장씩 몇 초만 가열하는 급속 방식으로 바뀌었다.

살펴보기: 분해해 보는 장비

필독

플레이

퍼니스 공정 엔지니어로 근무해 보기: 한 런에 백 장 넘는 웨이퍼, 온도와 시간을 맡는다 →

생각해 보기

  1. 한 런에 백 장 넘게 넣어 함께 처리하면 효율적이지만, 그 런이 잘못되면 손실도 크다. 생활이나 일에서 언제 ‘한 번에 많이’를 고르고, 언제 차라리 ‘한 번에 하나씩’을 고르겠는가? 그 이유는 무엇인가?
  2. 런 하나가 공정 도중에 멈췄다. 그 단계를 처음부터 다시 돌리면 열 예산을 한 단계만큼 더 쓰게 된다. 일단 막아 두고 모니터 웨이퍼를 측정한 뒤 남은 부분만 보충하면 시간이 더 든다. 직접 결정한다면 무엇을 먼저 알고 싶은가?

수업 자료: 슬라이드

이 강의의 핵심, 모식도, 장비, 토론 질문을 슬라이드 한 벌로 만들었다. 그대로 화면에 띄워도 되고, 자신의 강의 자료에 넣어도 된다.

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수업과 비영리 목적이라면 무료로 쓸 수 있다. 출처는 fab24hr로 밝혀 주기 바란다. 판매하거나 자신의 저작물로 바꿔 내놓을 수는 없다. 오류가 있다면 문제 신고

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