IV. 반도체공정 전시학습 확인 학습목표 제시 본시학습 학습내용정리 형성평가 심화과제 및 차시 안내 반도체 공정용어(일제학습) 개별학습(동영상 보고 탐구학습자료 작성) 조별 토론 및 발표 반도체공정 수업자료 설명(PPT자료) 학습내용정리 형성평가 심화과제 및 차시 안내

전시학습 코팅, 도포(Coating) 현상(Develop) 베이크(Bake) 웨이퍼 위에 감광제(Photo Resist)를 도포하는 것. 현상(Develop) 정렬(Align) 및 노광(Exposure)후 현상액을 이용하여 필요한 곳과 필요 없는 부분을 구분하여 패턴을 형성하기 위해 일정부위의 PR을 제거하는 것. 베이크(Bake) 감광제(Photo Resist) 도포 후 열에 굽는 것으로 Etch나 Develop시 감광제의 접착력을 증가시킴. Soft Bake : 웨이퍼에 PR를 도포하고 나서 115°C로 굽는 것 Hard Bake : 식각공정 이전에 130~140°C로 굽는 것 Post Bake : PR가 도포된 웨이퍼를 노광(Exposure)한 다음 110°C로 굽는 것

전시학습 Ashing 노광(Exposure) 마스크(Mask) 고온상화를 이용하여 기판으로부터 PR를 제거하는 것. 정렬이 끝나면 마스크의 패턴이 웨이퍼에 옮겨지도록 자외선에 감광제를 노출시키는 공정을 말하며, 정렬과 노광이 동시에 진행된다. 마스크(Mask) IC제작을 위해 각 Layer별 회로 Pattern이 그려진 유리판으로 각 패턴은 빛을 막는 불투명지역과 빛을 통과시키는 부분으로 구분되며 Mask상의 Pattern을 Wafer위에 옮겨 소자를 제작한다.(Reticle)

전시학습 연결패드(Bonding Pad) 절단(Dicing) 다이접착(Die Bonding) 반도체 칩의 내부회로와 외부의 회로를 연결하기 위해 도선(Wire)을 연결하게 되는데, 이때 칩 위의 접착(Bongding) 부위에 Al 등의 금속 증착 피막을 입힌 것. 절단(Dicing) 웨이퍼상의 다수의 칩을 낱개로 분리하기 위해 분리선(Scribe Lane)을 따라 잘라주는 과정. 다이접착(Die Bonding) 패키지를 위해 칩을 리드프레임에 접착시키는 과정.

전시학습 PR(Photo Resist) 확산(Diffusion) 도핑(Doping) 감광성 수지를 말하며 현상되는 형태에 따라 양성(Positive)과 음성(Negative)으로 나뉜다. 확산(Diffusion) 반도체 제조공정 중, 고온의 전기로 내에서 웨이퍼에 불순물을 확산시키는 과정으로 반도체 층의 일부분에 대한 전도 형태를 변화시키기 위한 공정(Drive-in과 동일한 의미) 도핑(Doping) 반도체의 전도 형태를 바꿔주기 위해 p-Type 또는 n-Type의 불순물을 확산이나 이온주입에 의해서 주입하는 것을 말하며, 이때 주입되는 불순물을 도펀트라고 한다.

전시학습 이온주입(Ion Implantation) CVD(Chemical Vapor Deposition) 반도체소자가 원하는 전기적 특성을 가지도록 반도체기판 위에 필요한 부분에만 고전압으로 가속된 이온을 물리적으로 첨가하는 것. CVD(Chemical Vapor Deposition) 반도체 공정기술의 하나로 화학반응을 이용하여 웨이퍼 표면 위에 단결정의 반도체막이나 절연막 등을 형성하는 방법. 에피택시얼(Epitaxial) 그리스어의 Epi(Upon)와 Teinen(Arranged)에서 온 것으로 Arranged-0n(상방배열)의 뜻을 갖는다. 즉, 기판역할을 하는 단결정 Silicon Wafer위에 가스상태의 반도체 결정을 석출시키면 기판의 결정축을 따라서 결정이 성장되는 현상을 말한다.

전시학습 증착(Evaporation) PVD(Physical Vapor Deposition) 고온의 열을 이용하여 물질을 증발시켜 웨이퍼에 증착시키는 공정 금속이 고온에서 산화해 버리기 때문에 진공 속에서 하게 되는데 이것을 진공증착(Vacuum Evaporation)이라고 한다. PVD(Physical Vapor Deposition) 박막을 증착하는 과정에서 Sputtering등의 물리적 증착법을 이용하는 기술을 총칭하는 말이다.

전시학습 레티클(Reticle) 스텝퍼(Stepper) 자외선(UV Light) 하나의 소자층의 패턴이 크롬으로 도금된 석영(quartz)유리판 Mask를 말한다. 스텝퍼(Stepper) 사진 노광 장치의 일종으로 레티클의 패턴을 광학랜즈를 사용하여 웨이퍼 위에 축소 노광하여 전사하는 방식. 자외선(UV Light) 자외선(Ultra Violet Light)으로 적외선에 비해 파장이 짧고 에너지 밀도가 큰 특징이 있어 Photolithography 공정에 이용된다.

전시학습 식각(Etch) 어닐링(Annealing) 웨이퍼상의 특정지역의 물질을 화학반을 통해 제거해 내는 고온에서 진행되는 공정으로 웨이퍼의 응력을 풀거나 결정 구조를 균일하게 정렬시켜 소자 표면의 영향력을 줄이기 위한 과정.

학습목표 반도체의 제조공정을 4단계로 구분할 수 있다. 반도체의 제조공정의 순서를 기술할 수 있다. 반도체 제조공정별 세부작업내용을 설명할 수 있다.

반도체 제조 공정도 1단계 : 실리콘 웨이퍼 제조 단결정봉 절단 연마 에피층 PR도포 산화 세정 2단계 : 회로설계 / 마스크 제작 에싱 3단계 : 웨이퍼 가공 마스크제작 노광(스테퍼) 현상/베이크 식각(금속) 금속증착 구리증착 화학증착 이온주입 식각(산화막) 세정/건조 결선 선별/칩분리 4단계 : 패키지공정 몰딩

반도체 제조공정 (1단계 : 실리콘 웨이퍼 제조공정)

반도체 제조공정 (1단계 : 실리콘 웨이퍼 제조공정) 실리콘 웨이퍼 제조 공정 단결정 성장 (Crystal Growing) 절단(Shaping) 세척과 검사 (Cleaning & Inspection) 경면연마 (Polishing)

반도체 제조공정 (1단계 : 실리콘 웨이퍼 제조공정) 단결정 성장(쵸크랄스키법) 고순도로 정제된 실리콘 용융액에 종자(SEED) 결정을 접촉, 회전시키면서 단결정 규소봉(ingot)을 성장시킨다.

반도체 제조공정 (1단계 : 실리콘 웨이퍼 제조공정) 절단 성장된 규소봉을 균일한 두께의 얇은 웨이퍼로 잘라낸다. 웨이퍼의 크기는 규소봉의 구경에 따라4”, 6”, 8”, 10”, 12”로 만들어지며, 생산성 향상을 위해 점점 대구경화 경향을 보이고 있다.

반도체 제조공정 (1단계 : 실리콘 웨이퍼 제조공정) 경면 연마 웨이퍼의 한쪽 면을 연마하여 거울처럼 만들어주며, 이 연마된 면에 회로패턴을 그려 넣게 된다.

반도체 제조공정 (2단계 :회로설계 및 마스크 제작) 반도체 제조공정 (2단계 :회로설계 및 마스크 제작) 1. 회로설계 CAD(Computer Aided Design) 시스템을 사용하여 실제 웨이퍼 위에 그려질 회로패턴을 설계한다.

반도체 제조공정 (3단계 : 웨이퍼 가공공정) 2. Mask(Reticle)제작 반도체 제조공정 (3단계 : 웨이퍼 가공공정) 2. Mask(Reticle)제작 설계된 회로패턴은 레이저 패턴 발생기(laser pattern generator) 또는 전자빔 패턴 발생기(e-beam pattern generator)에 의해 유리판 위에 mask(reticle)로 만들어진다.

반도체 제조공정 (3단계 : 웨이퍼 가공공정) 1. Oxidation(산화) 2. 감광막(PR : Photo Resist)도포 반도체 제조공정 (3단계 : 웨이퍼 가공공정) 1. Oxidation(산화) 2. 감광막(PR : Photo Resist)도포 3. 노광(Exposure) 4. 현상(DEVELOPMENT) 및 베이킹(baking) 5. 식각(ETCHING) 6. 에싱(Ashing) 7. 이온주입(Ion Implantation) 8. 화학기상증착(CVD)공정 9. 금속배선(Metallization) 10. 합금(alloy) & 열처리(annealing) 공정 11. 금속 식각(Metal Etch)  12. 보호(부동태)막 형성 

반도체 제조공정 (3단계 : 웨이퍼 가공공정) 산소와 수증기를 이용한 SiO2 의 성장은 각각 건식과 습식 산화로 분류되는데, 건식 산화는 주로 더 우세한 Si-SiO2계면특성을 가지므로 MOSFET에서 게이트 산화막와 같이 소자구조에서 중요한 절연영역을 형성하는데 사용된다.

반도체 제조공정 (3단계 : 웨이퍼 가공공정) 2. 감광막(PR : Photo Resist)도포 반도체 제조공정 (3단계 : 웨이퍼 가공공정) 2. 감광막(PR : Photo Resist)도포 빛에 민감한 물질인 PR를 웨이퍼 표면에 고르게 도포시킨다. Spinner라는 장치 위에 웨이퍼를 올려놓고 약 3000 rpm의 속도로 회전시키면서 PR을 떨어뜨리면 약 1 mm 두께의 막이 형성된다.

반도체 제조공정 (3단계 : 웨이퍼 가공공정) 감광막의 종류로는 음성(negative) 감광막과 양성(positive) 감광막이 있는데, 음성 감광막은 현상액(developing solution)에 의해 빛에 노출된 부분이 현상시 용해되지 않으며, 양성의 경우는 이와 반대이다. 오늘날의 대부분의 반도체 제조공정에서는 양성 감광막을 사용한다.

반도체 제조공정 (3단계 : 웨이퍼 가공공정) 3. 노광(Exposure) 반도체 제조공정 (3단계 : 웨이퍼 가공공정) 3. 노광(Exposure) Stepper를 사용하여 마스트에 그려진 회로패턴에 빛을 통과시켜 PR막이 형성된 웨이퍼 위에 회로패턴을 전사하는 공정

반도체 제조공정 (3단계 : 웨이퍼 가공공정) Stepper는 포토레지스트로 코팅된 웨이퍼에 하나의 소자층의 이미지를 가진 reticle을 통해 단파 UV광으로 노출시킨다.

반도체 제조공정 (3단계 : 웨이퍼 가공공정) 4. 현상(DEVELOPMENT) 및 베이킹(baking) 반도체 제조공정 (3단계 : 웨이퍼 가공공정) 4. 현상(DEVELOPMENT) 및 베이킹(baking) 웨이퍼 표면에서 빛을 받은 부분의 막을 현상시키는 공정(일반 사진현상과 동일) 노출된 감광막이 제거된 후에 남아있는 감광막을 굳히기 위해서 웨이퍼를 낮은 온도(80~100 oC)에서 열처리한다. (hard baking)

반도체 제조공정 (3단계 : 웨이퍼 가공공정) 5. 식각(ETCHING) 반도체 제조공정 (3단계 : 웨이퍼 가공공정) 5. 식각(ETCHING) 회로 패턴을 형성시키기 위해 화학물질(습식)이나 반응성 가스(건식)를 사용하여 필요 없는 부분을 선택적으로 제거시키는 공정으로 이러한 패턴형성 과정은 각 패턴층에 대해 계속적으로 반복된다.

반도체 제조공정 (3단계 : 웨이퍼 가공공정) 6. 에싱(Ashing) 식각 후 남아있는 포토 레지스트를 제거하는 공정 반도체 제조공정 (3단계 : 웨이퍼 가공공정) 6. 에싱(Ashing) 식각 후 남아있는 포토 레지스트를 제거하는 공정 소자 층에 손상을 주지 않고 포토 레지스트를 제거하는데 고온의 플라즈마가 사용된다. 이는 산소 플라즈마 내에서 포토 레지스트를 산화(태우는)시킴으로써 레지스트를 부풀리거나 들어올리는 화학적 작용에 의해서 이루어진다.

반도체 제조공정 (3단계 : 웨이퍼 가공공정) 7. 이온주입(Ion Implantation) 반도체 제조공정 (3단계 : 웨이퍼 가공공정) 7. 이온주입(Ion Implantation) 회로패턴과 연결된 부분에 불순물(p-type의 경우 B, Ga, n-type의 경우 Sb, As, P)을 미세한 가스 입자 형태로 가속하여 웨이퍼 내부에 침투시킴으로써 전자소자의 특성을 만들어 주는 공정

반도체 제조공정 (3단계 : 웨이퍼 가공공정) 이온 주입은 더 얇은(Shallow)접합, 더 낮은 프로세스 온도, 그리고 더 정확한 조절 등이 필요한 곳에 사용한다.

반도체 제조공정 (3단계 : 웨이퍼 가공공정) 주입된 이온들은 경로를 따라 결정 속으로 들어가 반도체의 원자를 대체하는데 ,주입된 이온들이 격자 위치에서 안정되는 것은 아니기 때문에 열처리를 통해 안정화시켜 주어야 한다. 이러한 불순물주입은 고온의 전기로 속에서 불순물입자를 웨이퍼 내부로 확산시켜 주입하는 확산(diffusion)공정에 의해서도 이루어진다.

반도체 제조공정 (3단계 : 웨이퍼 가공공정) 8. 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition, CVD)공정 반도체 제조공정 (3단계 : 웨이퍼 가공공정) 8. 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition, CVD)공정 가스간의 화학반응으로 형성된 입자들을 웨이퍼 표면에 증착하여 절연막이나 전도성 막을 형성시키는 공정

반도체 제조공정 (3단계 : 웨이퍼 가공공정) CVD는 다양한 유형의 층을 생산할 수 가 있는데, NH3와 SiCl2는 Si3N4층을 만들고 Si와 산소는 SiO2층을 형성하는데 사용된다. 실리콘과 금속을 섞은 특별한 재료는 실리사이드(silicide)라 불리우는 전도층을 형성하는데 사용되기도 하고, WF6를 이용해 WSi층을 만드는데 사용되기도 한다. PECVD라고 불리우는 CVD의 변형은 화학적 반응에 요구되는 온도로 낮추기 위해 가스 플라즈마를 사용한다. APCVD, LPCVD, PECVD 등 다양한 종류의 CVD가 IC 제조공정에서 사용되고 있다.

반도체 제조공정 (3단계 : 웨이퍼 가공공정) 9. 금속배선(Metallization) 반도체 제조공정 (3단계 : 웨이퍼 가공공정) 9. 금속배선(Metallization) 웨이퍼 표면에 형성된 각 회로를 금속(알루미늄)선으로 연결시키는 공정

반도체 제조공정 (3단계 : 웨이퍼 가공공정) 진공증착법(evaporation) 반도체 제조공정 (3단계 : 웨이퍼 가공공정) 진공증착법(evaporation) 고진공(5x10-5 ~ 1x10-7 Torr)에서 전자빔이나 전기 필라멘트를 이용해 보트를 가열하여 보트 위에 금속을 녹여 증발시킨다. 이때 증발된 금속은 차가운 웨이퍼 표면 위에서 응축된다.

반도체 제조공정 (3단계 : 웨이퍼 가공공정) 스퍼터링(Sputtering) 반도체 제조공정 (3단계 : 웨이퍼 가공공정) 스퍼터링(Sputtering) 플라즈마 내에서 생성된 이온들로 하여금 소스 물질(target)을 방출시켜 웨이퍼에 부착시킨다. 증착되는 과정은 먼저 챔버를 진공으로 만든 다음 낮은 압력의 기체, 보통 아르곤(Ar)을 챔버 내로 흘려준다. 전극에 고전압을 가해주게 되면 아르곤 기체는 이온화되고, 플레이트 간에 플라즈마가 발생한다. 소스 물질 쪽의 플레이트는 기판에 비해 음전위로 유지되므로 Ar+ 이온은 소스 물질이 덮여있는 플레이트로 가속되게 되는데, Ar+ 이온의 충격으로 소스 물질들은 플레이트로부터 방출되어 웨이퍼에 증착된다. 일반적으로 금속증착에는 DC 전원을, 절연체의 증착에는 RF 전원을 사용한다.

반도체 제조공정 (3단계 : 웨이퍼 가공공정)

반도체 제조공정 (3단계 : 웨이퍼 가공공정) 10. 합금(alloy) & 열처리(annealing) 공정 반도체 제조공정 (3단계 : 웨이퍼 가공공정) 10. 합금(alloy) & 열처리(annealing) 공정 웨이퍼 표면 위에 알루미늄으로 금속 배선막을 형성하는 금속화 공정 후에 소자 상호간의 완벽한 전기적 연결을 완벽하게 하기 위하여 합금(alloy) 공정과 열처리(annealing) 공정을 한다. 합금 공정은 알루미늄과 실리콘의 저항접촉(ohmic contact)을 만들어 주며, 일반적으로 450oC에서 550oC의 온도에서 수 십분 간 실시한다. 합금 공정이 끝난 후에는 기체 혼합물을 이용하여 웨이퍼 표면의 구조와 물성을 안정화시키기 위하여 열처리 공정을 한다.

반도체 제조공정 (3단계 : 웨이퍼 가공공정) 열처리 공정은 웨이퍼의 표면을 가열 처리한 후에 급냉시키지 않고 장시간 저온 열처리함으로써 표면의 구조와 물성을 안정화시키는 방법으로써 웨이퍼의 소자 특성을 최적화하고 안정화하기 위한 공정이다. 어닐링 공정은 주로 확산로를 사용하지만, 최근에는 레이저, 전자빔 등을 이용한 어닐링 기술이 실용화되고 있다.(RTP)

반도체 제조공정 (3단계 : 웨이퍼 가공공정) 11. 금속 식각(Metal Etch) 반도체 제조공정 (3단계 : 웨이퍼 가공공정) 11. 금속 식각(Metal Etch)  소자의 도전 회로의 길을 남겨놓기 위해 선택적으로 알루미늄 층을 제거한다.

반도체 제조공정 (3단계 : 웨이퍼 가공공정) 11. 보호(부동태)막 형성 반도체 제조공정 (3단계 : 웨이퍼 가공공정) 11. 보호(부동태)막 형성  생성된 후에 남아있는 포토 레지스트를 제거하고 반도체의 표면 위에 보호막(질화물/산화물)을 씌운다.

반도체 제조공정 (4단계 : 패키지 공정) 다이 분리 및 접착 공정과 도선 접착(패키징) 공정

반도체 제조공정 (4단계 : 패키지 공정) 1. 웨이퍼 자동선별(EDS TEST) 반도체 제조공정 (4단계 : 패키지 공정) 1. 웨이퍼 자동선별(EDS TEST) 웨이퍼에 형성된 IC칩들의 전기적 동작여부를 컴퓨터로 검사하여 불량품을 자동 선별하는 공정 웨이퍼 검사기(wafer probe)를 사용하여 각 소자(회로의 연결부분) 위의 결합패드와의 접촉에서 동작을 확인한다. 테스트 결과 결함이 있는 칩들은 잉크로 반점을 찍어 구별하기 쉽게 하고 더 이상의 과정에 포함하지 않도록 한다.

반도체 제조공정 (4단계 : 패키지 공정) 2. 칩(다이) 분리(Die Separation) 반도체 제조공정 (4단계 : 패키지 공정) 2. 칩(다이) 분리(Die Separation) 최종 검사가 끝난 웨이퍼상의 칩을 분리하는 공정을 웨이퍼 스크라이브(wafer scribe) 기술이라고 하며, 웨이퍼에서 분리된 칩은 일반적으로 다이(die)라고 부른다. 다이를 분리하는 기술에는 일반적으로 다이아몬드 절단기를 사용하는 다이아몬드 스크라이브 법, 레이저 펄스를 사용하는 레이저 스크라이브 법과 회전날(rotating blade)을 이용하여 분리하는 절단법 등이 있다.

반도체 제조공정 (4단계 : 패키지 공정) 3. 다이 접착(Die Attaching ) 반도체 제조공정 (4단계 : 패키지 공정) 3. 다이 접착(Die Attaching ) 웨이퍼에서 분리된 다이는 취급상의 편의를 위하여 특정한 패키지에 부착된다. 부착 방법에는 공정(eutectic) 접착법, 전형(preform) 접착법, 에폭시(epoxy) 접착법이 있다. 공정(eutectic)접착법은 칩의 뒷면에 금(gold)과 같은 금속층을 미리 형성시킨 후, 패키지를 약 370 oC 이상으로 가열하면서 패키지상에 다이를 올려놓아 다이와 패키지를 접착시키는 방법이다.

반도체 제조공정 (4단계 : 패키지 공정) 4. 도선 접착(Wire Bonding) 반도체 제조공정 (4단계 : 패키지 공정) 전형 접착법은 다이와 패키지 모두에 접착되는 특정 화학물을 이용하여 서로 부착시키는 방법이다. 에폭시(epoxy) 접착법은 다이와 패키지를 에폭시 아교를 이용하여 서로 접착 시키는 방법으로, 에폭시 아교는 약 125 oC ~ 175 oC 온도에서 사용한다. 4. 도선 접착(Wire Bonding) 칩 내부의 외부연결단자와 리드프레임을 가는 금선으로 연결하여 주는 공정

반도체 제조공정 (4단계 : 패키지 공정) 다이의 패드와 패키지의 리드 프레임을 연결하는 도선은 주로 알루미늄이나 금을 사용하는데, 금은 알루미늄보다 단가는 비싸지만 전도도가 뛰어나기 때문에 금선을 도선으로 사용하기도 한다. 도선을 다이 패드와 패키지의 리드 프레임을 연결하는 방법에는 열압축(thermal compression)법과 초음파 접착법이 있다. 열압축(thermal compression)법은 패키지를 가열하면서 열과 압력에 의해 금선으로 접착 시키는 방법이다. 초음파 접착법은 초음파 에너지 펄스를 이용하여 알루미늄 도선을 다이 패드에 접착 시키는 방법이다.

반도체 제조공정 (4단계 : 패키지 공정) 5. 몰딩(Molding) 반도체 제조공정 (4단계 : 패키지 공정) 5. 몰딩(Molding) 도선 접착(Wire bonding)을 마친 다이를 보호틀 속에 몰딩 화합물로 밀봉하는 과정을 몰딩(molding)이라고 한다. 몰딩 화합물의 재료는 에폭시(epoxy)라고 불리는 플라스틱과 세라믹 종류의 물질을 사용한다. 플라스틱 DIP의 기본 구조

반도체 제조공정 (4단계 : 패키지 공정) 6. 최종 검사 및 수율(Yield) 반도체 제조공정 (4단계 : 패키지 공정) 6. 최종 검사 및 수율(Yield) 패키징이 끝난 집적 회로 칩은 최종 검사를 하게 되는데, 이 과정에서 접착 공정이나 패키징 공정 시에 생기는 손상 등을 검사한다. 또한 일련의 전기적 검사를 통하여 집적 회로의 동작을 확인하고 각 회로들의 기능을 검사한다. 제품의 신뢰성을 확인하기 위하여 고온에서 수 시간 동안 집적 회로를 동작시키는 번인(burn-in) 작업을 실행한다. 최종 검사를 끝낸 집적 회로 칩은 표기와 포장을 통하여 완제품으로 만들어 진다.

형성평가문항 1단계 : (실리콘 웨이퍼 제조) 2단계 :(회로설계 및 마스크 제작) 3단계 : (웨이퍼 가공) (단결정성장), 절단, 연마, 세척/검사 2단계 :(회로설계  및 마스크 제작) (회로설 계), 마스크제작 3단계 : (웨이퍼 가공) (산화), 감광막 도포, 노광, (현상), 식각, 에싱, (이온주입), 화학증착, 금속배선, (합금 및 열처리), 금속식각, 보호막형성 4단계 : (패키지) (칩 분리), 다이접착, 도선접착, 몰딩, 최종검사 실리콘 웨이퍼 제조 단결정성장 회로설계  및 마스크 제작 회로설계 웨이퍼 가공 산화 현상 이온주입 패키지 칩분리