반도체 공정

OUTLINE 1. 반도체 공정(순서) 2. 전도도에 따른 물질분류 방법 3. 확산이란 4. 확산에 의한 불순물 이동경로 5. 확산 개량 척도 6. Fick의 제1법칙 7. Fick의 제2법칙 8. 열확산 9. 2가지 확산모델 10. 가스를 이용한 열확산 장치 11. 액체를 이용한 열확산 장치 12. 고체를 이용한 열확산 장치 13. 산화 공정 14. 열산화법 15. 이온주입 방법 이란 16. 이온주입기의 장단점 17. 이온의 활성화 18. 결정의 열처리 19. 노광 20. 노광기의 종류 21. 식각 22. 습식 식각 23. 식각 형태에 따는 구분 24. 건식식각 25. 방막 증착 26. 화학기상 증착 (CVD) 27. 물리 기상증착 (PVD) 28. 스파터링 29. 진공 증착 30. 원자층 증착(ALD) 31. 패키징 32. 패키징 공정 33. 반도체 제조공정 동영상

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

2.전기 전도도에 따른 물질 분류 방법 부도체 도체 도핑(doping) 도펀트(dopant) 금속 반도체 실리콘(Si) 게르마늄(Ge) 부도체 유리, 플라스틱 실리콘은 불순물이 들어 있지 않은 경우, 절연체에 가깝다. 도핑(doping) 반도체의 전기적 특성을 변화시키기 위해 열확산(thermal diffusion) 또는 이온주입(ion implantation)에 의해 반도체에 인위적으로 도펀트(dopant)을 주입시키는것이다. 도펀트(dopant) Donor: 자유전자를 내놓아서 n형 반도체 형성 -5족 원소 : 인(P), 비소(As), 안티모니(Sb) Acceptor: 정공을 내놓아서 p형 반도체 형성 -3족 원소 :붕소(B), 알루미늄(Al), 갈륨(Ga)

3.Diffustion? 물이 담겨져 있는 컵에 잉크를 한 방울 떨어뜨리면 시간이 지남에 따라 잉크가 퍼져 나가 섞이면서 물 전체가 균일한 색을 나타내게 되는 현상으로 확산(Diffusion)을 설명할 수 있다. P110 참고

4.확산에 의한 불순물 이동 경로 불순물의 원자는 800~1100℃의 고온에서 열에너지를 받아 경정격자 내에서 도펀트가 비워져 있는 격자, 즉 vacancy자리로 치환 또는 이동하거나, 불순물 원자가 격자간을 이동하는것 치환형 확산 :불순물이 비워있는 vacancy로 이동하여 그곳을 채우는 것 침입형 확산:격자 사이에 있는 불순물이 vacancy 없이 격자의 원자 사이를 계속해서 이동하는 확산입니다 (다른 전자나 전공의 움직임 방해) P111 참고

5.확산 개량척도 개량척도 공정변수 확산계수 (Diffusivity, diffusion coefficient) 기체, 액체, 고체 상태에서 어떠한 물질이 얼마나 빨리 확산되는가 확산계수가 클수록 물질의 확산속도가 빠르다 공정변수 농도차 온도 시간 분위기 격자결함 등 P113 참고

6.Fick의 제1법칙 단위 시간당/단위면적당 불순물의 흐름 : 위치에 대한 미분방정식 농도차에 비례 거리에 반비례 단위 시간당/단위면적당 불순물의 흐름 : 위치에 대한 미분방정식 농도차에 비례 거리에 반비례 불순물 농도가 줄어드는 방향과 반대 방향으로 발생 P111 참고

7.Fick의 제2법칙 시간에 대한 미분 방정식: 주어진 시간에 어떤 위치, 어떤 농도가 될 것이라는 것을 예측 P111 참고

8.열확산 실리콘의 전기적 특성을 인위적으로 변화시키기 위해서는 불 순 물을 주입하는 도핑 과정이 필요 P110 참고

9.Two-step diffusion model constant-source diffusion(선확산, pre-deposition)과 limited-source diffusion(후확산, drive-in) 선확산 : 실리콘 기판 표면의 불순물 농도를 일정하게 유지 후확산 : 시간이 경과함에 따라 표면 농도는 감소, 불순물은 깊이 침투 선확산으로 확산된 불순물 총량 = 후확산으로 확산된 불순물 총량 표면의 도핑농도가 낮고, 접합의 깊이가 깊은 경우에 사용 P111~112 참고

10.Gas source를 이용한 열확산 장치 가스 고순도의 확산, 가스 소스의 흐름 제어가능하다 (단유독성이 강함) 짧은 시간에 대량 생산 가능하다. P116 참고

11.Liquid source를 이용한 열확산 장치 인을 도핑할 경우 포클이라 불리는 버블링된 액체소스는 질소가스를 이용하여 전기로로 보낸다. 전기로에서 포클은 염소와 분리되어 오산화인을 형성하고 염소는 밖으로 빠져나간다. 오산화인은 실리콘을 만나서 실리콘 안으로 확산되고, 산소는 실리콘과 결합하여 실리콘 산화막 형성한다. 액체 P116 참고

12.Solid source를 이용한 열확산 장치 보론나이트라이드(BN) 사이에 웨이퍼 두 장을 위치 ->열을 가하면 붕소가 분해되어 실리콘 웨이퍼로 침투한다 작업의 편의성, 유독가스가 나오지 않아 안전하다. 단, 재현성이 떨어지므로 대량생산을 위해서는 사용하지 않는다. 고체 P116 참고

<열 산화막에 의한 실리콘 산화막의 성장> 13.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 P117 참고

14.열산화법(Thermal Oxidation)이란? 고온의 전기로에서 산화성 분위기를 만들어 실리콘 웨이퍼에 산화막 형성한다. 산화막의 두께, 용도, 소자의 구조적인 관계 등을 고려하여 최적의 산화방법을 선택한다. 반도체 제조 과정에서 열산화막을 형성하는 퍼니스(furnace) 장치 수평면 퍼니스 수직형 퍼니스 P117 참고

15.이온주입(Ion implantation) 방법이란? 열확산 이온주입 고온공정과 측면확산 때문에 미세 소자 제작에 적합하지 않는 방법이 다. 측면확산이 적고 미세 접합을 형 성할 수 있어 도펀트 주입에 유용 한 방법 이다. 원자 또는 분자를 이온화하여 적절한 에너지로 가속시켜 고체상태의 기판표면에 주입함으로써, 기판의 일정 부분에 불순물 영역을 생성한다. 반도체 물질 내에 불순물을 주입함으로써 전도 특성을 변화시킨다. P119 참고

16.이온주입기(Ion implanter)의 장.단점 주입된 불순물의 양을 정확히 제어 불순물을 원하는 깊이 에 정확히 주입 순도가 높은 불순물을 주입 측면확산이 적어 소자 의 고집적화에 유리 상온에서 공정 가능 장비가격이 고가 장비의 구조가 복 잡하여 유지 관리 등이 어려움 이온주입기 장점 단점

17.이온의 활성화(Activation) 도펀트들은 대부분 실리콘 격자 사이에 칩입형 도펀트로 존재 한다.(전기 전도 에 기여하지 못함) 이온의 활성화 : 주입된 이온으로 vacancy를 채워 전기적으로 활성화 (Substitutional mechanism) 실리콘 원자와 공유결합을 하고 남는 접자는 자유전자가 되어 공유결합한다. 이온 주입기로 주입된 인 원자는 실리콘 격자 사이에 있다가 열에너지를 받아 베이컨시를 채운다.

18.결정의 열처리(Annealing) 고에너지를 가진 이온들이 실리콘 원자와 충돌하면서 실리콘 공유결합을 파괴한다 결정결함 야기 단결절 실리콘에 이온이 주입되면 공유결합이 깨어진 실리콘과 도펀트들이 비정질 실리콘에 존재하게 된다. 결정결함들은 누설전류 특성을 크게 악화시켜 소자 제작이 불가능하게 한다. 결정결함을 제거하기 위해 열처리 시행

19.노광(Lithography) 노광 : 사진에서 렌즈로 들어오는 빛을 셔터가 열려 있는 시간만큼 감광 재료에 비추는 일이다. 노광 공정 : 마스크의 상을 웨이퍼 표면에 정확히 맞추어 정렬한 다음, 마스크를 통하여 도포된 감광막을 적절히 노광하는 공정이다. 광노광 장치 비광학 노광 장치 접촉형, 근접형, 투사형, 투사반복형 E-beam, X-ray, Laser, Ion beam 일반 수은 등 광원 Eximer laser P123 참고

20.노광기의 종류 노광 방법 : 음영 인쇄법(접촉식,근접식),투사형 인쇄법 분해능력 우수 먼지나 실리콘 입자에 의한 마스크 손상 감광제와 마스크가 부착되어 문제 발생 웨이퍼와 마스크 사이에 10~50umd의 가격을 둠 마스크 손상 방지 마스크가 웨이퍼로부터 떨어져있어 마스크 손상 없음 마스크의 작은 부분만 노출 분해능력 향상 P124 참고

21.식각(Etching) 식각이란? 금속판에 보호층을 입힌 다음 송곳 등으로 그림을 그려서 강 한 산성 용액에 담그면, 송곳이 지나간 자국이 부분적으로 부식되어 금속판 위에 그림이 완성된다. 반도체 박막을 형상/가공하는 기술에 응용 P129 참고

22.습식식각(Wet etching) 습식식각 이란? 습식식각은 식각하고자 하는 물질을 화학 용액 속에 담그거 나 식각 용액을 웨이퍼 상에 분사하여 식각하는 공정이다. 습식식각의 원리는? P129 참고

Anisotropic etch (이방성 식각) Isotropic etch (등방성 식각) 23.식각 형태에 따른 구분 Anisotropic etch (이방성 식각) Isotropic etch (등방성 식각) 등방성 식각 : 모든 방향으로 동일한 속도로 진행되어 보호막 역할을 하는 마스크 패턴에 대해서 아래쪽과 좌우방향으로 (또는 경사진 방향으로) 동일한 깊이만큼 식 각된다. 이방성 식각 : 등방성 식각과 다르게 각 방향에 대해 서로 다른 식각률을 가진다. P129 참고

24.건식식각(Dry etching) 액체상태의 식각제 대신 기체상태인 플라즈마를 이용하여 식각 단점: 진공장비가 필요하고, 플라즈마 진단장비 및 식각 모니터링 장비들이 선택적으로 부가된다. (고가의 장비 필요) 장점: 식각 특성이 우수 하다.(최근 대부분의 식각 공정이 건식식각법으로 대체) P130 참고

25.박막증착 (Thin film deposition) 반도체 제조공정 중 하나로, 고전압에 의해 이온화된 아르곤 가스를 사용하여 타깃에서 금속 입자를 떼어내어 금속 박막을 Wafer에 입히는 방법이다. 반도체 증착구조 P132참고

26.화학기상증착(CVD) 장점 : 단차 피복성이 좋음, 기판과의 접착력이 좋음, Uniformity가 좋음 화학가스를 챔버에 유입한 후 화학반응에 의해 원하는 박막을 증착하는 방법 유전체 박막과 우수한 단차 피복성 특성을 요구하는 일부 금속 박막의 증착에 사용 종류 : 챔버의 입력, 챔버 온도, 화학 가스를 분해 에너지원 등에 따라 구분 APCVD LPCVD LTCVD PECVD MOCVD PCVD 장점 : 단차 피복성이 좋음, 기판과의 접착력이 좋음, Uniformity가 좋음 단점 : 불순물의 함유량이 많음, 유독 가스를 사용하기 때문에 위험함 P133 참고

27.물리기상증착(PVD) PVD 물리적인 힘에 의해 대상 물질을 기판에 증착하는 방법 Evaporation 열 에너지를 이용하여 증착하고자 하는 대상 물질의 소스를 증발시켜 기판에 박막을 증착하는 방법 PVD Sputtering 대상 물질의 소스를 원자 덩어리로 분리시켜 증착하는 방법 아르곤 가스를 이온화 시킨 상태에서 대상 물 질의 소스와 기판 사이 에 전기장을 가해줌 아르곤 이온이 가속 되면서 대상물질의 소스에 충돌 소스로부터 분리 되어진 원자 덩어 리 물질들이 기판 에 증착 장점 : 공정이 깨끗하고 안전함, 증착방법이 간단함, 기판과의 접착력이 좋음, 증착속도가 빠름 단점 :박막의 두께를 조절하기 힘듬, 단차 피복성이 나쁨 적용 공정 : Ti, TiN, Co, W, Al 등 대부분의 금속 P134 참고

28.스파터링(Sputtering) Sputtering Sputtering 반도체 공정 중 가장 많이 사용되는 metal process Target material 표면을 Ar(아르곤)과 같은 기체 이온의 충돌로 방출시킨 뒤 기판에 증착하는 방법 장점 : 단차피복성이 좋음, 기판과의 접착력이 좋음, Uniformity가 좋음 Sputtering DC magnetron RF Reactive sputter 금속 박막에 주로 사용 유전체 박막의 증착에 이용 P134 참고

29.진공증착(Vacuum evaporation) 진공으로 된 용기 내에서 증착하고자 하는 물질을 가열하여 소스에 떨어져 나온 증기의 증기압을 상승시켜 기판 위에 증착되게 하는 방법. P135 참고

30.원자층 증착(ALD) 반응을 원자층 단위로 증학하는 방법 알루미늄 증착을 위한 소스를 유입하면, 유입 된 알루미늄 층을 형성 한 후 purge 가스에 의 해 불순물 배기 산소 증착을 위한 가스 를 유입하면, 유입된 가 스는 산소층을 형성한 후 purge 가스에 의해 챔버 밖으로 배기 이러한 과정을 반복 하 여 웨이퍼 표면에 반복 된 수만큼의 알루미나 층 형성 P136참고

31.패키징 (Packaging) 패키징 : ‘상자에 채워 형태를 정리한다’ 반도체 패키징 : ‘반도체 칩을 탑재될 기기에 적합한 행태로 만든다’ 패키징 역할 : 패키징은 상호배선, 전력공급, 방열, 그리고 집적회로(IC) 보호와 같은 역할 P137 참고

<Wire Bonding SEM 사진> <Wire Bonding 사진> 32.패키징 공정 패키징(packaging)이란 IC와 전기 장 치를 연결해 주는 기술과 고정의 세트 라고 할 수 있다. 칩 집착(Die Bonding) 테스트를 거친 IC칩들을 자른 후 칩을 리드 프레임 위에 붙이는 공정 금속연결(Wire Bonding) 칩 내부의 외부연결단자와 리드프레임 을 가는 금선으로 연결하는 공정 성형(Molding) 연결 금선 부분을 보호하기 위해 화학 수지로 밀봉해 주는 공정으로 반도체 소자가 최종적으로 완성된다. <Wire Bonding SEM 사진> <Wire Bonding 사진>

반도체 제조공정 동영상 출저 : 하이닉스

감사합니다.