마이크로 일렉트로닉스의 발전은 그 기본소재인 실리콘웨이퍼의 획기적인 변화를 요구하여 왔으며, 최근 수년간의 변화경향은 이제까지의 단순비례식의 직경 및 기계적 성질의 변화를 뛰어넘는 그야말로 획기적이라할 수 있는 방향으로 진행되고 있다.
이러한 차세대 실리콘웨이퍼의 발전방향은 3가지로 집약될 수있다. 첫째 직경의 대구경화가 급속히 진행되고 있으며, 94년 12월일본에서 개최된 세미콘 재팬쇼에서 세마테크에 의해 잠정 결정된 사항은 98년에 12인치 웨이퍼의 대량생산설비 투자를 하고 99년 부터 대량생산을 하는것을 기준으로 모든 계획 을 수립하자는 것이었다. 따라서 2000년 이전에 12인치 웨이퍼 즉 레이저디 스크 크기의 직경 30cm되는 실리콘웨이퍼가 대량생산될 전망이다.
둘째 기존기술에 의해 생산되는 웨이퍼의 여러가지 사양 특히, 휘어짐, 표면편평도 및 표면거칠기 등이 그대로 12인치 웨이퍼에 적용될 수가 없게 된다. 즉, 12인치는 더욱 고급의 집적회로에 쓰이기 위하여 생산되므로 기존기술의 의해 생산되는 12인치 웨이퍼는 의미를 상실하게 된다. 따라서 대구경 화에 따른 평편도의 향상이 요구되는 초편평웨이퍼의 등장이필연적이다.
셋째로 이미 언급한 두 종류의 차세대 웨이퍼들은 기존의 개념과 기술의 연 장선상에 있다고 할 수 있으며, 새로운 개념의 차세대 웨이퍼의도입이 요청 되어 왔고 활발한 연구가 진행되고 있는 바, 이를 SOI(Silicon On Insulato r)웨이퍼라 한다. SOI웨이퍼란 기존의 웨이퍼속에 절연박막(반드시 절연박막 일 필요는 없으며 예를들어 열방사용 다이아몬드박막 등)을 삽입시켜서 만든것으로 단면을 절개하여 보았을때 지지대역 할을 할 실리콘 기판위에 절연 막이 있고 다시 그 위에 집적회로가 제작될 단결정실리콘 박막이있는 형태이다. SOI웨이퍼 기술은 기술상, 공정사, 및 특성상의 여러가지 중요한 의미를 내포하고 있으며 집중적인 관심이 이루어져야 할 기술 분야이다.
현재 국내의 SOI 관련 기술상황을 살펴보면 다음과 같다. 반도체 3사에서는 원칙적으로 SOI웨이퍼 기술보다는 SOI웨이퍼를 이용한 반도체 제조 기술에 관심을 갖고 있으나, 아직까지는 국내외적으로 안정적이며 신뢰성있는 SOI웨 이퍼의 대량공급이 가능치 않으므로 SOI웨이퍼 기술도 연구중에 있거나 계획 을 하고 있다. 삼성반도체는 두장의 웨이퍼를 접합하여 만드는 SOI기술에 관심을 갖고 연구를 진행하고 있으며, 다방면으로 관련된 제조 및 장비기술의 확립을 위하여 노력하고 있다.
현대와 금성은 아직은 삼성수준의 진행단계는아닌 듯하며, 그러나 필요시 반드시 추진할 기술확대방향으로 이해하고 있다. 한편 웨이퍼 제조업체중에서 LG실트론은 적극적인 SOI웨이퍼 개발계획을 추진하고 있으며 국내수요시기에 합당한 기술확립을 위하여 여러채널의 기술획득을 추진하고 있다. 한편 전자 통신연구소 및 산업과학기술연구소 등에서지난 4~5년간 접합 SOI웨이퍼 개발 연구를 진행하였으며, 현재 KAIST, 경북대및 센서 등을 제조하는 중소업체에 서 SOI관련기초기술을 보유하고 있다.
국외의 SOI웨이퍼 관련 상황변화는 급진전되고 있다. 1984년 IBM의 Lasky가 접합된 웨이퍼의 한쪽면을 화학용액으로 녹여내는 BESOI기술을 처음 공개하였다. 1991년 Thomson사는 처음으로 SOI웨이퍼를 집적회로제작에 응용하였으며 1994년말 SONY의 Nishihara 등은 SOI웨이퍼를 이용한 1GDRAM의 단위소자 개발을 시도하였다.
이 과정에서 SOI웨이퍼의 이용하여 제작된 집적회로만이갖고있는 고유한 몇가지 특성들이 이해되고 대량 생산과 관련하여 고려되어왔다. 그러나 제일 커다란 문제는 SOI웨이퍼의 신뢰성있고 안정적인 대량공급에 있다. 가격경쟁 없는 SOI웨이퍼 제조는 8인치 수준까지 가능하나, 수율품질 등에서 수요자가 요구하는 조건들을 만족시키지 못하고 있다. 이제까지개발된 SOI웨이퍼 제조 기술들은 최근 2~3년간 3가지 정도로 압축되었으며, 이들은 SIMOX, BESOI 그리고 PESOI 등이다.
상업적인 측면을 고려할때 SIMOX 기술은 미국 및 프랑스에서, BESOI기술은 미국에서, PESOI기술은 미국 및러시아에서 보유하고 있다고 알려져 있다. SOI웨이퍼의 대량생산 가능성은 서로 연관이 없는 듯이 보이는 12인치 웨이퍼및 초편평 웨이퍼 생산에 충격및 혼란을 줄 수도 있는, 다시말하면 차세대 실리콘웨이퍼 소재시장의 커다란 변수가 될 수 있는 인지가 될 것이다.
세가지 SOI제조기술은 다음과 같다. SIMOX웨이퍼의 경우 기존의 실리콘웨이 퍼위에 이온화된 산소를 주입시킨 뒤 매우 높은 온도에서 열처리를 하여, 주입된 산소가 서로 모여서 실리콘 산화막을 실리콘웨이퍼내에 형성시키고 그 위에 0.1~0.5um내의 얇은 실리콘 단결정 박막층을 형성시키게하여 제작된 것이다. 이 방법이 처음 밝혀진 60년대말에서 70년대 초에는 매우 희망적으로약속받은 기술이었으나 90년대 평가기술이 향상되고 요구사양이 엄격해진 관점에서 평가한 바에 의하면 중요한 결점들을 유발하고 있음을 확인하였다.
즉 결정결함을 이온 주입전의 수준으로 제거하는 것이 상업적으로 거의 불가 능하며, 금속 오염도가 공정의 개선에도 불구하고 기존 웨이퍼 제조공정보다 높으며, 대전류이며 1%미만으로 균일도를 유지해야 하는 높은 이온주입기술 이 필요하며, 웨이퍼표면이 기존웨이퍼의 0.4A수준에서 1.6~3.4A수준으로 거칠어진다는 것이다. 따라서 상업적으로 중요한 생산성에 많은 제약이 있어웨이퍼 단가경쟁에 열세의 입장에 있다.
BESOI기술은 앞에서도 간략히 언급한 바와 같이 웨이퍼 두장을 접합하는 기술로 분류된다. 웨이퍼를 접합하기전에 한쪽 웨이퍼 표면에 에피층을 성장시킨뒤 산화시켜 필요한 두께의 에피층과 산화막층을 얻는다. 접합은 접합제등이 전혀 쓰여지지 않고 웨이퍼 두장이 가까이 다가갔을 때 양쪽의 원자들 간의 당기는 힘 즉 반데르발스힘에 의해 접합이 이루어진다. 접합된 두장의 웨이퍼간의 거리는 아직도 원자적으로 충분히 가깝지 못하여 이를 더욱 가깝게 하고 접합면에 남아있을 수 있는 잔류 오염들을 확산시켜 보내버려야 하므로 고온열처리를 한다. 열처리후 에피층이 형성된 웨이퍼 기판을 화학용액 으로 용해시키게 된다.
이때 화학용액의 성분은 매우 정교히 선택, 혼합되어 있어서 웨이퍼 기판에 붕소불순물을 많이 넣고 에피층에 적게 넣었을 때 기판층만 용해시키고 에피층은 거의 용해시키지 못하게 되어 원하는 SOI구조를 도출해낼 수 있게 된다. 이 기술의 특징은 에피층을 성장시켜야 한다는 것으로 이 공정이 포함된 다는 의미는 SOI제조단가가 상승하고 생산성의 병목현상을 가속한다는 것이다. 그러나 BESOI기술은 기술적인 측면에서 SIMOX기술에 비해 완벽하다 할수있다. PESOI기술은 에피층이 없는 실리콘 웨이퍼 두장을 산화막을 형성하여 반데르 발스힘을 이용하여 접합시킨뒤 플라즈마를 이용하여 연마를 하여 얇은 실리 콘 박막층이 있는 SOI구조를 도출하게 된다. 현재 이 기술은 거의 상업화단 계에 도달하여 경제성.가공성 및 생산성에서 많은 반도체 회사들의 관심을갖고 있다.
SOI웨이퍼기술 발전동향을 보면 94년도에 0.1㎙ 두께의 SOI웨이퍼가 개발되었으며 적은 규모이지만 0.5㎙수준의 SOI웨이퍼가 샘플로 출하되고 있다. 웨 이퍼 크기면에서도 94년에 8인치 SOI웨이퍼가 출연하였으며 2000년까지는 8인치 0.1㎙ 두께의 SOI웨이퍼가 양산될 전망이다.
집적회로 생산에의 SOI웨이퍼의 충격도를 이해하기 위하여 SOI웨이퍼의 중요한 몇몇 특성을 고찰하여보기로 한다. 그림에서와 같이 SOI웨이퍼는 실리콘 박막층의 두께에 따라 두가지로 분류하여 설명할 수 있다. 0.1㎙혹은 그 이하의 실리콘층으로 구성된 천이지역에 완전히 전하가 없다고 가정하는 경우 b FD와 0.1㎙이상의 실리콘층에 일부 중립지역이 남아 있다고 하는 경우 a PD가 그것이다.
이때 실리콘층 밑까지 거리가 1㎙이하인 빗금친 실리콘 산화막까지 홈을 쉽게 파낼 수 있으므로 절연을 확실히 하여 단위소자끼리의 전기적 영향을 완 벽히 배제할 수 있다는 것이다. 또한 극한환경에서 오는 잡음 특히 우주선에 의해 발생할 수 있는 전기적 잡음이 실리콘 산화막층 밑의실리콘 기판에서 이루어지므로 산화막 위의 단위소자들에 영향이 없다는 것이다.
비단 우주선뿐만이 아니라 잡음이 유발될 수 있는 기타 악조건의 환경에서 작동되는 단위소자들의 기능 및 정보에 변질이 훨씬 감소한다는 것이다. 따라서 저전력화의 변화속에 있는 PC산업에 1.5V에서 작동할 수 있는 단위소자 제작을 가능케 하여 휴대용 PC의 소형화, 경량화 및 저전력화 등을 가능케한다. 또한 불필요한 여러 기생적인 전류나 정지 작동시 누설전류의 감소 등이 가능하다는 것이다.
이와 같은 SOI웨이퍼가 기존의 웨이퍼에 대해 상대적인 차이를 보이고 있을뿐만이 아니라, 같은 SOI웨이퍼내에서도 (a)PD와 (b)FD의 경우처럼 두께에 따라 다른 현상을 보이기도 한다. PD의 경우 여러이유로 천이지역에 발생한 전자는 D쪽으로 흘러가는 반면 생성된 홀은 중립지역으로 들어가 고립된 상태로 축적되게 된다. 축적된 홀은 웨이퍼 기판에 전압을 가한 것과 같은 효과를 초래하여, G를 이용하여 S에서 D로 전자가 흐르게 하는 전압을 이론치 로부터 변화시키는 효과를 낳게하는 소위 Floating Body Effect현상을 유발 할 수 있다.
반면 FD의 경우에는 이와 같이 홀이 축적될 수 있는 중립지역이 없으므로 해서 홀의 축적이나 전압의 변화를초래하지 않게 된다. 또한 이와 같은 현상으로 G에 가해질 전압을 변화시키므로해서 S에서 D로 흐르논 전자량이 급격히 변하는 현상이 생길 수 있는데이를 Kink Effect라 한다. 그리고 전류 전압 곡선의 기울기가 FD SOI의 경우이론치에 접근하는 60mV/decade의 수준을 만족시킬 수 있다는 것이다.
따라서 이상과 같은 SOI웨이퍼를 이용한 집적회로제작을 가상하여 볼 때, 집적회로 공정을 40% 정도까지 생략할 수 있어서 훨씬 적은 공정비용, 기생 커패시턴스 그리고 수율상실을 유도할 수 있다. 그리고 LOCOS나 깊은 홈을 가공하는 등의 공정 생략으로 같은 Design Rule에 의해서도 더 집적도를 높일수 있다는 것이다. 결과적으로 기존의 8인치 생산설비를 이용항 256MDRAM 혹 은그 이상의 대량생산이 가능할 수 있다는 것이다. 따라서 6인치 SOI웨이퍼 는8인치 기존웨이퍼, 그리고 8인치 SOI웨이퍼는 12인치 기존 웨이퍼와 동등 한수준의 결과를 초래하여 99년도 12인치 웨이퍼의 대량생산시기에 영향을 줄수 있다.
외국사들이 예상한 SOI웨이퍼가격은 어느 수준이며 어느 수준이어야 경쟁력 있는 제품이 되는가 하는 시장예측이 PESOI관련 SOI제조업체에 의해 이루어졌다. 현재 8인치 기준 500불/장 수준이거나 혹은 이여야 하는 SOI제조업체 에 의해 가격은 2000년에 200불/장 수준이 되어야 한다는 것이다. 시장의 규모를 예측하기란 쉽지 않으며 현재 전체적으로 신뢰를 할 수 있는 시장동향 분석을 한 자료는 없다.
그러나 SIMOX관련사에서 SIMOX를 주축으로 한 SOI시장동향을 분석한 내용을SIMOX특성을 고려하여 전체 SOI시장에 확대 적용하여 보면 다음과 같이 예측 이 가능하다. 95년에 1억불미만의 국제 SOI웨이퍼수요는 2000년대에 20~40억 불 수준에 도달할 것으로 예측되며 국내의 시장점유율은 이의 약 십분의 일정도가 될 것이다. 따라서 2000년 경쟁적인 시장에서 8인치 국내 시장규모는 SOI웨이퍼만 2억불 이상이 될 것이다. 이에 부수적으로 장비시장 등을 고려 하면 그 규모는 3억불대에 돌입하리라 예측되고있다.
과연 가격수준을 유지시키며 경쟁력있는 제품을 양산할 수 있는 SOI기술은 어느것이 될 것인가하는 관점은 앞의 몇가지 기술소개를 통하여 엿볼 수 있었다. 총괄하여 정리하여 보면 SIMOX, BESOI및 PESOI기술이 정착되어가는 기술들이며 이 기술들을 이용하여 SOI웨이퍼를 생산하는 회사들도 속속 출현중 에 있다.
SIMOX관련사로는 미구의 IBTS과 프랑聖 SOITECH, BESOI관련사로는미국의 SIB OND 그리고 PESOI간려사로는 DOS 등이 있다. 종합적인 결론의 도달은 위험성 을 내포하고 있으나, SIMOX기술은 기술적인 문제들의 해결이 너무 어렵다는것이며 BESOI기술은 에피를 성장시켜 가격경쟁성을 저하시킨다는 것이다. 8인치 SOI웨이퍼를 기분하여 가격면에서 SIMOX는 400불장 이상이될 것이며, BESIO는 300~400불/장, 그리고 PRSOI는 200불/장이 될 것으로 예측되므로 향후 국내의 SOI관련 기술개발 방향을 가늠할 수 있으리라 여겨진다.
SOI웨이퍼 기술동향에 의한 최종적인 결론을 몇가지로 용약할 수 있다. 국내 의 SOI웨이퍼 시장은 2000년에 2억불수준이 될 것이며 그 주종기술은 PESOI 가 될 것이다. 최상의 경쟁가격은 8인치 기준 200불/장이 될 것이며 이 가격 은 집적회로제조 비용면, 그리고 12인치 웨이퍼로 대체시의 설비투자비 및 12인치 웨이퍼의 가격 등을 고려할 때, 12인치 양산계획에 영향을 줄 것이다.
기타PESOI기술의 높은 타분야 응용가능성 등을 고려하여 볼때 시급한 연구 개발이 반도체 업계의 집중적인 관심하에 이루어져야 할 것이다.