세미툰 인터랙티브 교과서 · 확산과 열공정

열을 다스려
원자의 자리를
정하다

웨이퍼는 칩이 되기까지 수십 번 뜨거워진다. 그때마다 실리콘은 산화막으로 바뀌고, 심어 둔 도펀트는 조금씩 퍼지며, 손상된 결정은 제자리를 찾는다. 이 교과서는 원자가 퍼지는 원리(Fick 법칙)에서 출발해 도펀트 확산의 실제, 열산화와 Deal–Grove 모델, 산화막의 품질, 짧고 뜨거운 RTP와 레이저 어닐, 퍼니스 장비, 계측, 현업에서 부딪히는 문제까지 시뮬레이터로 직접 움직여 보며 익히게 한다.

1장부터 시작하기 → 전체 목차
12개 챕터 공대 학부 수준 장비와 현업 노트 면접 포인트 시뮬레이터 71개 참고문헌 270여 개 · 모든 근거에 출처
뜨거운 열기 속에서 원자를 퍼뜨리는 세미툰 캐릭터 디프디프 · 열로 원자를 퍼뜨리는 친구

첫 실험: 뜨거워지면 원자가 퍼진다

실리콘 결정 속의 도펀트 원자는 가만히 있지 않는다. 열을 받으면 이웃 자리로 아무 방향이나 뛰어 옮긴다. 한 번 한 번은 제멋대로지만, 수많은 원자가 수없이 뛰고 나면 농도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 퍼지는 뚜렷한 모양이 생긴다. 이것이 확산이고, 그 모양을 계산하는 식이 2장의 Fick 법칙이다.

ANIMATION

무작위로 뛰는 원자가 만드는 농도 분포

도펀트 공급 방식
시간 빨리 감기
뛰는 빠르기 (1100 °C = 1)1
흐른 시간 (모의)0
확산 길이 2√(Dt)0칸
들어간 원자 수0
해볼 것: ① 1100 °C에서 지켜보자. 오른쪽 막대(시뮬레이션에서 센 원자 수)가 점선(Fick 법칙의 답)을 따라간다. 원자 하나하나는 무작위로 뛰지만 모이면 계산할 수 있는 모양이 된다. ② 온도를 1000 °C, 900 °C로 내리고 「처음부터」를 눌러 보자. 100 °C 내릴 때마다 뛰는 빠르기가 열 배 넘게 줄어, 1100 °C에서 모의 시간 약 20에 끝나던 퍼짐이 1000 °C에서는 약 200, 900 °C에서는 약 3,100이 걸린다(이 모델로 계산). 900 °C 아래에서는 원자가 거의 멈춘 것처럼 보이므로 「빨리 감기」로 시간을 당겨 보자. 800 °C는 ×100으로도 끝까지 10분 넘게 걸린다. 공정에서 온도를 조금만 바꿔도 확산이 크게 달라지는 이유다. ③ "정해진 양만" 방식으로 바꾸면 표면 농도가 점점 낮아지며 퍼진다. 앞의 모양은 erfc, 뒤의 모양은 Gauss 함수다. (학습용 모델: 2차원 격자 위에서 원자끼리 서로 방해하지 않고 네 방향 중 하나로 뛴다. 온도에 따른 빠르기는 활성화 에너지 3.5 eV를 가정한 Arrhenius 식으로 계산했다. 칸 수와 시간은 실제 길이·시간과 관계없다. 빨리 감기는 그림이 따라갈 수 있게 1100 °C ×10보다 빨라지지 않게 잘랐고, 흐른 시간은 그만큼 바르게 센다.)

숫자로 보는 확산과 열공정

이 교과서를 끝내면 아래 숫자가 어디서 나오는지, 공정에서 무엇을 뜻하는지 설명할 수 있게 된다.

약 15배

900 °C에서 1,000 °C로 올릴 때 커지는 붕소의 확산 계수(D₀ 1.0 cm²/s, Eₐ 3.46 eV로 계산). 온도 100 °C가 확산을 열 배 넘게 바꾼다(2장).

0.44

산화막이 1만큼 자랄 때 사라지는 실리콘의 두께. 산화막은 원래 표면 아래로 파고들며 자란다(4장).

약 600배

1,000 °C의 SiO₂에 녹는 산화제의 양 차이(H₂O 3.0×10¹⁹ 대 O₂ 5.2×10¹⁶ cm⁻³). 습식 산화가 건식보다 훨씬 빨리 자라는 이유다(4장).

15배

900 °C에서 30분 건식 산화하는 동안 인(P)의 확산이 불활성 분위기보다 빨라진 배수. 산화가 확산을 바꾼다(OED, 3장).

400~430 °C

1기압 H₂에서 10~60분 어닐할 때 계면의 끊어진 결합을 가장 잘 막는 온도. 공정 마지막의 Forming gas 어닐이 맡는 일이다(5·7장).

0.12 nm/°C

산화막 두께로 퍼니스 온도를 읽는 모니터 웨이퍼의 민감도 예(특허). 두께가 0.24 nm 다르면 온도가 2 °C 다르다는 뜻이다(10장).

이 책을 읽는 방법

눈으로 읽고 끝나는 책이 아니다. 숫자를 바꿔 보고, 결과를 먼저 예측해 보고, 왜 그런지 설명해 보는 책이다.

읽기개념과 원리를 먼저 쉬운 말로. 영어 용어는 현장에서 쓰는 그대로 두고 뜻을 풀어 쓴다.
바꿔 보기실험 카드의 값을 끝까지 밀어 보자. 무너지는 지점에서 가장 많이 배운다.
예측하기예측 카드는 결과를 보기 전에 답을 먼저 고른다. 도전은 목표를 맞히는 문제다.
현업 노트현업 노트는 공개 논문과 장비사 자료에 근거해 현장에서 조심하는 지점을 짚는다.
면접 포인트면접 포인트는 그 장의 개념을 원인 → 결과 → 확인 방법으로 이어 말하는 연습이다.

전체 챕터

1~3장은 확산의 원리, 4~7장은 열공정, 8~10장은 장비와 계측, 11장은 현업의 이상 분석이다.

세미툰 공정 교과서 시리즈

반도체 공정을 한 권씩 나누어 같은 방식으로 만든다. 캐릭터마다 맡은 공정이 있다.

이 페이지의 근거

홈 화면의 숫자 카드에 쓴 근거만 모았다. 각 장 끝에는 그 장에서 인용한 참고문헌이 있고, 책 전체의 참고문헌은 12장 · 전체 참고문헌에서 한꺼번에 볼 수 있다. 근거: 붕소 확산 상수와 볼츠만 상수로 계산한 값, 실리콘 소모 비, 산화제 용해도, 산화 증속 확산, Forming gas 어닐 조건, 산화막 모니터 웨이퍼.