실리콘 산소는 오염물인데도 왜 관리해 남길까

반도체 원료는 불순물이 적을수록 좋다는 설명에 익숙하다. 그런데 초크랄스키 방식으로 자란 실리콘에서는 산소를 무조건 없애는 대신 그 양과 열처리 이력을 관리한다. 실리콘 산소는 격자 안에 흩어져 있을 때와 작은 덩어리로 석출했을 때 다른 역할을 하기 때문이다.

같은 산소라도 상태가 다르다

석영 도가니와 용융 실리콘이 접촉하면 도가니에서 유래한 산소가 용탕에 들어갈 수 있다. 성장한 결정의 산소 중 일부는 격자 사이에 용존한 상태로 남는다. 이를 표면의 산화막이나 내부의 큰 산화물 입자와 같은 것으로 보면 안 된다.

용존 산소는 실리콘의 기계적 강도를 높이는 데 기여할 수 있다. 동시에 성장 후의 냉각 상태에서는 평형에서 허용되는 것보다 많은 산소를 담은 과포화 상태가 남을 수 있다. 이후 열처리는 이 원자들이 움직이고 모이는 기회를 준다. Texas 대학 강의는 용존 산소의 강도 효과, 산소 복합체와 내부 석출을 구분해 설명한다. Dean Neikirk, Bulk crystal growth, PDF 11–14쪽

가령 산소 농도가 8×10¹⁷cm⁻³이고 실리콘 원자 밀도를 5×10²²cm⁻³로 근사하면, 산소의 비율은 약 16ppm이다. 원자 수로는 매우 작은 몫이지만 소자가 요구하는 결함·전기적 조건에서는 무시할 수 있는 양이 아니다. 이 농도는 설명용이며 모든 웨이퍼에 같은 값이 들어 있다는 뜻은 아니다.

작은 산화물 주변에 결함이 생기는 이유

산소가 내부에서 산화물로 모이면 원래 실리콘 격자와 부피가 맞지 않는다. 석출물 주변에 응력이 생기고, 조건에 따라 전위나 적층 결함 같은 구조적 변화가 따라올 수 있다. 이런 위치는 이동 가능한 금속 불순물이 모이는 자리가 될 수 있다.

이 작용은 소자 영역에서 일어나면 문제가 된다. 소자를 만드는 표면 가까이의 결함에 금속까지 모이면 오히려 보호하려던 부분이 손상된다. 그래서 내부에서는 필요한 석출을 활용하되, 표면 가까이에서는 산소를 낮춰 석출이 생기기 어려운 영역을 만들 수 있다. MIT 강의는 이 구조와 산소 외확산·내부 핵생성·성장의 열처리 순서를 설명한다. MIT 6.774 강의 4, 대본 PDF 11–13쪽

여기서 보호된 표면 영역은 산소가 전혀 없는 층이라는 뜻이 아니다. 해당 열 이력에서 석출이 문제가 되지 않을 만큼 농도와 핵 상태를 관리한 영역이다. 전체 산소 평균만 재면 내부와 표면의 이 차이를 놓칠 수 있다.

열처리 시간이 네 배면 깊이는 두 배인 모델

표면의 산소를 줄이는 데 걸리는 거리를 단순 확산으로 살펴보자. 확산계수 D가 일정하고 표면은 산소를 계속 내보내는 경계라면, 농도 분포가 바뀌는 길이의 규모는 √(Dt)다.

가상 D=10⁻¹⁰cm²/s에서 1시간의 √(Dt)는 6µm, 4시간에서는 12µm다. 시간이 네 배 늘어도 확산 길이는 네 배가 아니라 두 배다. 이 D는 특정 온도에서 측정한 산소 확산계수로 제시한 값이 아니다. 시간과 깊이의 관계를 분리하려고 정한 수치다.

또 이 길이가 그대로 결함 없는 층의 두께가 되는 것은 아니다. 처음 산소의 농도, 표면의 실제 경계 조건, 열처리 중 내부 석출과 용해가 함께 작용한다. 임계 농도 아래까지 내려갔는지를 따로 계산해야 한다. 얕은 영역의 산소를 줄였다는 이유로 깊은 곳의 산소까지 모두 제거했다고 볼 수도 없다.

적게 남기는 목표와 잘 남기는 목표

전체 산소를 매우 낮추면 산소 유래 석출과 전기적 복합체의 영향을 줄일 수 있지만, 산소 석출을 이용한 내부 금속 포획 기능은 약해질 수 있다. 반대로 산소가 많다고 그런 기능이 자동으로 좋아지지도 않는다. 적절한 핵이 형성되고 성장할 시간, 소자 영역에서 충분히 떨어진 위치가 필요하다.

산소 복합체 중에는 전기적으로 도너 역할을 하는 종류도 있다. 따라서 총산소 농도와 전기적으로 활성인 산소 관련 상태의 농도를 같은 숫자로 읽어서는 안 된다. 같은 초기 웨이퍼가 다른 열처리를 거치며 다른 전기적·구조적 상태에 도달할 수 있다.

실리콘 산소를 관리한다는 말은 오염 허용량 하나를 정하는 것보다 넓다. 얼마가 용존해 있는지, 어느 크기로 모였는지, 소자에서 얼마나 떨어져 있는지를 정하는 일이다. 산소를 남기는 선택이 유리하려면 필요한 역할은 내부에, 위험한 결함은 소자 영역 밖에 형성되어야 한다. 그 조건을 만족시키는 열 이력까지 보아야 같은 산소가 도움이 되거나 문제가 되는 이유를 설명할 수 있다.