반도체 소자와 공정

OUTLINE 1.반도체 소자 2.반도체 공정 2) 유니폴라(NMOS, CMOS) 2) 산화 공정 3) 노광 공정 1) 바이폴라(TTL, ECL) 2) 유니폴라(NMOS, CMOS) 2.반도체 공정 1) wafer 제조 2) 산화 공정 3) 노광 공정 4) 식각 공정 5) 확산 및 이온주입 공정 6) 박막 증착 공정 7) 테스트 공정 8) 패키징 공정

1. 반도체 소자 반도체란? 반도체란 도체와 절연체의 중간 성질을 갖는 물질이며, 순수상태에서는 거의 통하지 않으나 빛, 열, 전기를 가하면 쉽게 통하게 되며 조절이 가능하다. 이런 반도체를 가지고 소자를 만드는 것을 반도체 소자라고 한다. Si 반도체의 분류는 크게 바이폴라 IC와 유니폴라 IC의 구분으로 한다.

1) 바이폴라 IC(Bipolar IC) 바이폴라 IC란 전자와 정공의 이동이 확산에 따라 전류를 흐르게 하는 것으로 극이 둘이기 때문에 바이폴라(양극성)라 부른다. 소수 캐리어와 다수 캐리어에 의해 작동 동작의 기본이 되는 베이스(base) 소수 캐리어를 주입하는 에미터(Emitter) 베이스(base)로 부터 소수 캐리어를 끌어내는 콜랙터(collector)로 구성된다. P 전류의 이동방향 N P Emitter Collector 순방향 역방향 Base < PNP의 구조 >

① TTL(Transistor Transistor Logic) 트랜지스터로 구성되어 있는 회로로서 1964년 TI사에 의해 발표되었다. 고속응답과 사용이 간편하다.(전파지연시간 8ns/게이트) 소비전력이 작다 집적도가 높다. 잡음의 여유(noise margin)가 작다. < TTL NAND 게이트의 기본구조>

② ECL(Emitter Coupled Logic) ECL은 TTL보다 고속이기에 고속성이 요구되는 회로에 이용되고 있다. 소비전력이 크다. ECL의 기본회로는 차동증폭기이며, 트랜지스터를 포화시키지 않고 이용하는 것이 특징이다. 높은 fan-out이 가능하다. 다른 논리 회로와 혼용이 어렵다. < ECL OR/NOT 게이트의 기본구조>

2) 유니폴라 IC(Uni-polar IC) 유니폴라 IC에는 JFET와 MOS FET가 있다. 전극 S는 캐리어의 공급원으로 소스(source) 전극 D는 캐리어를 내보내는 드레인(drain) 전극 G는 소스와 드레인 사이의 전류를 제어하는 게이트(gate) 소스-드레인 사이의 전류 통로는 채널

① NMOS(N-channel MOSFET) N채널 MOSFET로 구성 P형 기판에 전류 통로를 흐르는 캐리어가 전자인 반도체 TTL에 비해 속도가 느리며 전력소모가 크다. 산화막에 의해 전류 통로로부터 절연된 게이트 전극에 전압을 인가하여, 소스 전극과 드레인 전극 간에 전류 통로를 제어함으로써 동작하는 MOS트랜지스터 Gate(G) Source(S) Drain(D) electron Oxide(Si02) Metal P-type substrate n+ n+ Channel <NMOS의 단면>

② CMOS(complementary MOS) PMOS와 NMOS로 구성, 상호보완적으로 동작 속도는 느리지만 낮은 소비전력을 가진다. 잡음 여유도가 크며 게이트의 집적도가 높다. 저전압 동작이 용이 하지만 제조공정이 복잡하다. 온도 안정성이 우수하며 TTL과 병용 가능하다. P-type substrate n+ Drain(D) Source(S) Gate(G) Oxide(Si02) Metal <CMOS의 단면> n-well p+

2. 반도체 공정 반도체 제조 공정 wafer 제조 산화 노광 확산 증착 식각 테스트 패키징 완제품

<Czochralski법으로 만들어진 Ingot> 1) 웨이퍼 제조 규암을 다양한 형태의 탄소와 함께 노에서 가열 순도가 높고 전자급 수준의 다결정 실리콘 EGS를 만든다. Czochralski공법등으로 Ingot을 형성 이때 원하는 dopant에 따라 웨이퍼의 종류를 결정 Ingot을 절단하여 wafer 성형 <잘려진 wafer> <Czochralski법으로 만들어진 Ingot> Starting Material Polycrystalline semiconductor Single crystal Wafer

<열 산화막에 의한 실리콘 산화막의 성장> 2) 산화 공정 고온(800~1200℃)에서 산소나 수증기를 wafer표면과 화학반응시켜 얇고 균일한 실리콘 산화막(SiO2)을 형성시키는 공정을 말한다 건식 Si(solid)+O2(gas) = SiO2(solid) 습식 Si(solid)+2H2O(gas) = SiO2(solid)+2H2(gas) <열 산화막에 의한 실리콘 산화막의 성장> Original Si surface SiO2 Silicon substrate

3) 노광 공정 광 노광(Photolithography)은 반도체 wafer 표면을 덮고 있는 감광제(Photoresist)라 부르는 얇은 감광성 물질에 마스크 상의 기하학적인 형태의 패턴을 전사하는 공정이다. 원하는 패턴의 전사에 따라 양성 감광제와 음성 감광제를 사용한다. 노광 공정 시 일반적으로 클래스 10을 유지

4) 식각 공정 식각 공정은 패턴이 없는 부분을 선택적으로 제거하는 것이다.(습식식각과 건식식각) 습식 화학 식각 1) wafer 표면의 물질과 화학적 반응을 일으키는 용액을 이용하여 식각 2) 반도체 공정에서 널리 사용되며 빠른 패턴 전사를 위해 사용된다. 그러나 마스크 바로 아래 층을 깎아내기 때문에(등방성) 식각표면에서 분해능이 떨어진다. 건식 식각 1) 플라즈마를 이용하여 wafer 표면을 물리적으로 식각 2) 식각속도가 빠르며 높은 재생, 패턴 전사를 얻기 위해

<Diffusion furnace > 5) 확산공정과 이온주입공정 반도체 기판 내에 조절이 가능한 양의 불순물 dopant를 투입하는 것이다. 확산 공정이란? 고온의 석영 튜브 노(furnace)에 반도체 wafer를 넣고 원하는 dopant가 포함된 혼합가스를 통과 시킴으로써 이루어 진다. 속도는 빠르나 원하는 분포 범위 만큼 doping하는 것이 어렵다. <Diffusion furnace >

5) 확산공정과 이온주입공정 이온 주입공정이란? 1) 이온들은 이온 빔을 이용하여 반도체 속에 주입된다. 장점은 불순물 양의 정확한 제어, 재연하기 편한 형태, 그리고 확산 공정과 비교했을 때 낮은 공정 온도이다. 2) 그러나 이온 주입시 격자 손상을 입기 때문에 열처리 가 필요하다. 이온 채널링 1) 이온 주입시 target의 결정구조에 따라서 이온의 진행 방향이 결정 내부의 channel을 따라서 이동한다. 2) 이온 채널링에 의해 원하는 범위만큼 이온 주입이 어렵 다.

6) 박막 증착 공정 에피텍시얼 성장에 사용하는 기술 화학 기상 증착(CVD:Chemical Vapor Deposition) 1) GAS간의 화학반응으로 형성된 입자들을 wafer 표면 에 증착하여 절연막이나 전도성막을 형성시키는 공정 성장속도가 빠르다. 분자 빔 에피텍시얼(MBE:Molecular beam epitaxy) 1) MBE는 초고 진공 상태에서 결정 표면에 분자 또는 원 자의 하나 혹은 그 이상의 열 빔(thermal beam)반응 을 포함하는 에피택시얼 공정이다. 2) 성장속도는 느리지만 정확히 제작할 수 있다.

6) 박막 증착 공정 금속배선(Metallization) wafer 표면에 형성된 각 회로를 Al, Cu등으로 연결시키는 공정이다. 물리 기상 증착법(PVD) 전자빔이나 플라즈마를 이용하여 증발된 금속원자를 wafer 표면에 증착시키는 기술이다. 화학 기상 증착법(CVD) CVD는 균일하고 좋은 단차 피복성을 갖는 코팅을 제공하고 한번에 많은 wafer를 증착할 수 있기 때문에 금속화 공정에 많이 사용한다.

7) 테스트 공정 wafer 테스트 wafer 테스트의 기본 목적은 다이를 패키징 상태로 만들기 이전에 불량 다이를 검출하여 후속공정으로 연결되는 것을 방지하는 것이다. 패키지 테스트 패키징이 완료된 후에 테스트 하는 것으로 제품의 불량여부를 판별하는 가부(go/no-go)테스트와 메모리의 성능을 정확하게 판별하는데 목적이 있는 특성테스트가 있다. <DM3500> <DM1210>

<Wire Bonding SEM 사진> <Wire Bonding 사진> 8) 패키징 공정 패키징(packaging)이란 IC와 전기 장치를 연결해 주는 기술과 고정의 세트라고 할 수 있다. 칩 집착(Die Bonding) 테스트를 거친 IC칩들을 자른 후 칩을 리드 프레임 위에 붙이는 공정 금속연결(Wire Bonding) 칩 내부의 외부연결단자와 리드프레임을 가는 금선으로 연결하는 공정 성형(Molding) 연결 금선 부분을 보호하기 위해 화학수지로 밀봉해 주는 공정으로 반도체 소자가 최종적으로 완성된다. <Wire Bonding SEM 사진> <Wire Bonding 사진>

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