p-n 접합의 제작

열산화

 많은 제조공정 단계들은 화학반을을 가속시키기 위해 웨이퍼를 가열하는 과정을 포함한다. 이러한 공정의 중요한 예가 될 수 있는 고정은 SiO2를 형성시키는 열산화 공정이다. 이 공정은 세라믹 벽돌 절연 외벽(ceramic brick insulating liner)으로 구성된 노에 열화 코일을 사용하여 ~800~1000℃까지 가열될 수 있는 깨끗한 석영 관에 한 단위의 웨이퍼들을 배치시키는 과정을 포함한다. 건식 O2나 H2O와 같이 산소를 포함하는 가스는 대기압에서 관 속으로 흘려지고, 다른 쪽 끝으로 흘러나가게 된다. 전통적으로 수평로(horizontal furnace)가 사용되었지만, 최근에는 수직로(vertical furnace)를 사용하는 것이 일반화되었다. 한 단위의 Si웨이퍼들은 각각이 미립자에 의한 오염을 최화하기 위해 표면을 아래로 향한 채로 실리카 웨이퍼 홀더에 놓인다. 그러고 나서 웨이퍼들은 노 속으로 옮겨진다. 전통적인 수평로 속보다 더 균일한 흐름을 제공하기 위해 가스가 위에서 흘러들어와 아래로 흘러간다. 

 Si+O2 -> SiO2(건식 산화), Si+2H2O -> SiO2 + 2H2 (습식 산화)

 두 경우 모두에 있어서, Si는 기판의 표면으로부터 소모된다. SiO2가 매 마이크로 단위로 성장될 때마다 0.44um의 Si 가 소모되어 SiO2층은 산화과정에서 소모된 이 Si층 체적의 2.2배만큼 확장된다. 산화과정은 강산화성 분자들이 이미 성장되어 있는 산화물을 통해 확산되어 위 산화반응이 일어나는 Si-SiO2 계면까지 도달하게 함으로써 진행된다. Si 집적회로가 존재하게 된 매우 중요한 이유 중 하나는 안정한 열적 산화가 아주 우수한 계면 전기 특성을 가진 Si위에 성장될 수 있다는 것이다. 다른 반도체 재료들에는 이와 같이 유용한 원산화막이 없다. 현대의 전자기술과 컴퓨터 기술은 이렇게 간단한 산화과정 덕분에 존재할 수 있다고 말할 수 있다.

확산

 과거에 IC 공정에서 광범위하게 사용되었던 또 다른 열처리 과정은 노에서 생기는 도펀트(dopant)의 열에 의한 내부로의 확산이다. 먼저 웨이퍼가 산화되고 사진석판공정단계와 식각 단계를 거쳐 산화막에 개구부가 만들어진다. 붕소,인,비소와 같은 도펀트들은 일반적으로 가스나 증기 소스를 사용해서 고온의 확산로 내에서 이렇게 패턴된 웨이퍼 안으로 도입된다. 도펀트들은 점진적으로 표면 근처의 고농도 역역에서 확산을 통해 기판 속으로 이동한다. 고체에서는 도펀트의 확산계수인 D는 온도 T에 대해 강한 아리니우스 의존성을 갖는다. 이것은 D=Doexp-(Ea/kT)로 주어지는데, 여기서 Do는 재료와 도펀트에 의존하는 상수이고, Ea는 활성화 에너지이다. 불순물이 확산하는 평균 거리는 확산거리에 관계되어 있다. D는 T에 따라 지수적으로 변화하기 때문에, 확산의 분포를 제어하기 위해서는 몇 도 이내로 아주 정밀하게 노의 온도를 제어하는 것이 매우 중요하다. 도펀트는 산화막 내에서 확산계수가 매우 작기 때문에 산화막에 의해서 효과적으로 차단되거나 마스크된다. 확산 분포제어의 어려움과 매우 고온을 요구한느 공정 때문에 도핑기술로서, 확산 대신 이온주입을 사용한다.

 더 큰 Si 웨이퍼를 사용하는 경향성이 많은 공정 단계를 변화 시켰다. 예를 들어, 8인치나 그보다 큰 웨이퍼들은 전통적인 수평로 보다는 수직로에서 가장 잘 다루어질 수 있다. 또한 큰 웨이퍼들은 흔히 다양한 증착과 식각, 그리고 주입공정들 때문에 개별로 다루어진다. 그런 단일 웨이퍼 공정 때문에 빠르고 정확한 조작을 수행하는 로봇시스템이 개발되었다.

 확산하는 동안 임의의 시간에서의 이 시료 속의 불순물 분포는 적당한 경계조건을 사용한 확산 방정식의 해로부터 계산 될 수 있다. 한편 도펀트 원자가 계속해서 공급되어 표면 농도가 일정한 값을 유지한다면, 불순물 분포는 상보오차함수를 따르게 된다. 

 수평 확산로에서, 확산 중에는 Si웨이퍼를 이 관 속에 넣고 불순물 원자는 실리카 관을 통해 흐르는 가스 속에 도입해 준다. Si에서의 확산을 위한 보편적인 불순물 소스 물질은 붕소의 경우 B2O3, BBr3 및 BCl3 이며, 인의 소스로는 PH3, P2O5 및 POCl3가 있다. 고체 소스는 시료로부터 상류 쪽에서 실리카 관 내에 넣어 두거나 같은 노 속의 별도의 가열대역 부분에 놓아둔다. 기체 소스는 가스유량제어시스템 속으로 직접 계량하여 넣을 수 있으며, 액체 소스는 불황성 캐리어 가스를 노관 속으로 도입하기 전에 그 액체를 통과시켜서 발포 시킨다. Si웨이퍼는 실리카로 된 보트에 넣어두고 실리카 봉으로 노 속의 적정한 위체로 밀어 넣고 또 끌어낼 수 있다.

 이들 공정의 각 단계에서 요구되는 정결도가 중요하다. 대표적인 도핑농도는 100만분의 1 또는 그 이하이므로 정결도와 물질의 순도는 결정적으로 중요하다. 따라서 불순물 소스와 캐리어 가스는 극도로 순수해야 하며 실리카 관, 시료 지지대 및 삽입봉은 사용에 앞서 세척하고 불화수소산으로 식각해야 한다. 끝으로 Si 웨이퍼 자체는 확산에 앞서 그의 표면으로부터 어떠한 원치 않는 SiO2도 제거할 수 있게 HF를 함유한 최종 식각을 합쳐서 정교한 세척과정을 거처야 한다.