STI(Shallow Trench Isolation)는 말 그대로 반도체 회로 사이를 ‘절연’하는 기술입니다. 눈에 잘 띄진 않지만, 이 절연 구조가 없다면 회로는 서로 간섭을 일으키고, 반도체는 제대로 동작하지 못합니다.
그래서 STI는 겉으로는 보이지 않지만, 내부에서는 가장 중요한 역할을 수행합니다. 이 글에서는 STI가 어떤 구조이고, 왜 ‘반도체를 살리는 절연’이라고 불리는지 하나씩 살펴보겠습니다.
STI(Shallow Trench Isolation)란 무엇인가요?
STI 공정은 실리콘 기판에 수십~수백 나노미터 깊이의 얕은 트렌치(홈)를 식각한 뒤, 그 안을 실리콘 산화물(SiO₂) 등 절연체로 채우는 방식입니다. 이 구조는 인접한 트랜지스터 사이의 전기적 간섭을 차단하고, 불필요한 전류 흐름을 막아줍니다.
STI 이전에는 Local Oxidation of Silicon(LOCOS) 방식이 널리 사용됐지만, 미세 공정이 진행되면서 LOCOS의 '버드 비크(Bird’s Beak)' 현상으로 인한 한계가 드러났고, 그 대안으로 STI가 표준 공정으로 자리 잡게 되었습니다.
STI 공정의 전체 흐름
STI는 아래와 같은 단계로 진행됩니다.
- 트렌치 패터닝: 포토리소그래피로 트렌치 형성 부위를 지정합니다.
- 식각: 지정된 영역을 Reactive Ion Etching(RIE)으로 식각하여 홈을 만듭니다.
- 라이너 산화막 형성: 트렌치 벽면에 얇은 산화막을 형성하여 결함을 줄입니다.
- 필(Material) 충전: 트렌치 내부를 실리콘 산화물 등 절연 물질로 채웁니다.
- CMP(평탄화): 트렌치 밖으로 넘친 재료를 Chemical Mechanical Polishing으로 평탄화합니다.
이러한 공정을 거쳐, 각 트랜지스터는 절연된 공간에 안전하게 위치하게 됩니다.
Shallow Trench Isolation의 핵심 역할
STI 공정은 단순히 공간을 구분하는 차원을 넘어, 소자의 성능 안정성까지 좌우하는 핵심 기술입니다. 주요 역할은 다음과 같습니다.
- 소자 간 누설 전류 방지
- 전기적 간섭 최소화
- 불량률 감소 및 수율 향상
- 고집적 회로 구현 가능
결과적으로 STI는 칩 전체의 신뢰성 유지에 결정적인 기여를 합니다.
STI와 LOCOS의 차이점
STI가 등장하기 전에는 LOCOS 방식이 표준이었습니다. 하지만 LOCOS는 산화 과정 중 산화막이 측면으로 퍼지면서 '버드 비크' 형태의 왜곡이 생기고, 고집적 회로에서의 한계를 드러냈습니다.
| 구분 | LOCOS | STI |
|---|---|---|
| 공정 방식 | 산화막 성장 방식 | 트렌치 식각 + 충전 방식 |
| 공정 정밀도 | 낮음 (버드 비크 발생) | 높음 (패턴 정밀 제어 가능) |
| 공간 활용성 | 낮음 | 우수 (고집적 적합) |
| 현대 적용 | 거의 사용되지 않음 | 표준 공정으로 사용 |
STI 공정의 도전 과제
고집적화와 미세화가 진행되면서 STI 공정에도 한계가 존재합니다.
- Aspect Ratio 제어: 트렌치가 깊어질수록 충전이 어려워집니다.
- 잔류 응력: 산화물 충전 시 발생하는 응력이 소자에 영향을 줄 수 있습니다.
- 공정 복잡성: 트렌치 식각, 충전, 평탄화 모두 정밀 제어가 필요합니다.
이러한 과제를 해결하기 위해 High Aspect Ratio Fill 기술, Stress-Relief 구조 설계 등 다양한 연구가 계속되고 있습니다.
결론 | 보이지 않는 구조가, 반도체의 동작을 가능하게 합니다
Shallow Trench Isolation은 단순히 공간을 나누는 공정이 아닙니다. 전기 신호가 얽히지 않도록 도와주고, 각 트랜지스터가 자신만의 영역을 지킬 수 있도록 해주는, 일종의 조용한 울타리 같은 역할을 합니다.
칩이 고집적화될수록 이 작은 절연막 하나가 전체 회로의 품질을 좌우하게 됩니다. 겉으론 아무것도 없어 보이지만, 이 공정 없이는 반도체는 돌아가지 않습니다.
그래서 STI는 ‘보이지 않지만 반드시 필요한’ 기술입니다. 말 그대로, 반도체를 살리는 절연이죠.