반도체(Semiconductor) 공정기술

Presentation on theme: "반도체(Semiconductor) 공정기술"— Presentation transcript:

1 반도체(Semiconductor) 공정기술

2 목 차 반도체공업 반도체 제조원료 반도체 제조기술 1.다결정 실리콘 제조 2.단결정 실리콘 제조 3.실리콘웨이퍼의 제조
목 차 반도체공업 반도체 제조원료 반도체 제조기술 1.다결정 실리콘 제조 2.단결정 실리콘 제조 3.실리콘웨이퍼의 제조 1.웨이퍼세척 2.사진공정 3.식각공정 4. 이온주입 5.박막형성 기술 및 공정

3 반도체 공업-원리 n형 반도체 p형 반도체 Si 전자가 하나 남는 주개의 형태 불순물 : As(비소) – 5족원소
B Hole n형 반도체 전자가 하나 남는 주개의 형태 불순물 : As(비소) – 5족원소 자기장 받음 → 남아있는 전자 움직임 → 원자들 사이를 돌아다님 이 전자의 흐름으로 인해 전기가 통하게됨 p형 반도체 빈자리가 생기는 받개 구조 불순물 : B(붕소) – 3족 원소 자기장 받음 → 전자 하나가 빈 공간을 채움 → 그 빈자리를 다른 전자가 채움 Hole을 중심으로 전기 흐름 Si As Extra electron

4 반도체 공업-결정구조 단결정 – 전체의 덩어리가 하나의 동일한 배열의 결정구조를 가짐
다결정 – 부분 부분마다 결정의 배열이 다르게 나타나는 구조 결정방향에 따라 실리콘의 물리적, 전기적 특성이 달라진다. 밀러지수 – 실리콘의 결정방향을 표시하는 방법 (반도체에서 결정구조를 나타낼 때 면과 방향을 나타내는 방법) 밀러지수 z x a y o z x a y o z x a y o (001) ~ (010) ~ (100) (110) (111)

5 반도체의 제조원료-다결정실리콘 규소로부터 약 98% 이상의 순도를 가지는 금속재료급 실리콘(MGS)으로의 환원 : SiO2 + 2C → Si + 2CO MGS로부터 SiHCl3 으로의 전환 : Si + 3HCl → SiHCl3 + H2 증류에 의한 SiHCl3 의 제조 정제된 SiHCl3 의 화학기상증착(CVD)을 통한 EGS의 제조

6 반도체의 제조원료-단결정성장법 초크랄스키법(CZ법)
종자를 용융된 실리콘과 접촉 →천천히 위로 끌어올림 → 냉각 고화시켜 실리콘 덩어리를 얻음. 결함 : 종자와 용융실리콘의 심한 온도차로 인한 충격으로 발생. 초기 속도를 높여서 결함을 없애고 나서 실리콘 성장시킴 플롯존법(FZ법) 용융상 실리콘 영역을 다결정 실리콘 봉을 따라 천천히 이동시키면서 다결정 실리콘 봉이 단결정 실리콘으로 성장되도록 하는 것 CZ법과 동일한 불순물 분리에 관한 원리가 적용되나 액상의 실리콘 양이 적음

7 반도체 제조원료-실리콘웨이퍼 실리콘웨이퍼 웨이퍼세척 미립자 막 오염 - 자연적으로 형성된 다른 물질의 층
- 쉽게 경계층을 형성하여 웨이퍼 표면에 물질의 한 부분으로서 존재, - 원인 : 실리콘의 미세조각, 린트, 감광제 덩어리, 먼지, 박테리아 등 - 제거 : 기계적 세척; 초음파 세척기 혹은 고압력 스프레이기 막 오염 - 자연적으로 형성된 다른 물질의 층 - 원인 : 용매의 잔류물질, 현상액 잔류물, 유기막, 금속막 등 - 제거 : 화학적 세척; RCA법 반도체 제조에 사용되는 가스와 약품에 대해 간략히 설명하고 넘어간다. 연마 및 식각되는 표면 부분을 고려하여 원하는 지름보다 조금 크게 성장 시킴 플랫 : 실리콘 웨이퍼의 결정 배향과 첨가된 도판트를 알 수 있도록 만들어 놓은 표시

8 반도체 제조기술-사진공정 사진공정 – 마스크 위에 설계된 패턴, 즉 형상을 그대로 웨이퍼 표면에 옮기는 기술
마스크 패턴 : 웨이퍼 위에 도포된 감광제 → 웨이퍼 표면 현상 : 특정 파장의 빛을 웨이퍼에 노출시키면 광화학 반응으로 빛을 받은 부분이 특정 감광제-개략도 구성 : 고분자, 용매, 광감응제의 세가지 기본 요소로 이루어져 있음. 종류 : 양성과 음성이 있음 PR의 주요성분 기 능 고 분 자 에너지에 반응하여 구조를 바꾼다(고분자화 또는 광분해). 용 매 박막을 스핀코팅법으로 입힐 수 있게 한다(점도조절). 광 감 응 제 노광되었을때 PR의 광화학적 반응을 조절하고 수정한다.

9 반도체 제조기술-사진공정 저온 열처리 감광제의 도포 정렬과 노출 표면준비와 감광제의 접착도 개선
언더컷 발생. HMDS를 사용하여 표면을 매끄럽게함 감광제의 용매를 증발시키는 열처리 공정 감광제의 도포 정렬과 노출 마스크에 웨이퍼를 정확히 정렬시키는 것과 정렬 후에 마스크를 통해 감광제 막에 적절한 노광을 하는 것.

10 반도체 제조기술-사진공정 현상 노출공정 고온 열처리 고분자화가 되지 않은 부분을 제거하여 정렬 및 노출공정에서 형성된
패턴을 만들어 내는데 있음 고온 열처리 잔류 용매를 증발시켜 감광제가 실리콘 표면에 잘 붙도록 하는 것

11 반도체 제조기술-식각(Etching)공정 : Lithography
습식식각 식각 : 표면에서 원하는 부분을 화학반응 혹은 물리적 과정을 통하여 제거하는 공정. 과정 : 반응물의 기판표면으로의 확산 → 표면에서의 화학반응 → 반응하는 기판표면으로부터 반응생성물의 확산 실리콘 실리콘 산화물 실리콘 질화물 Si + HNO3 + 6HF → H2SiF6 + H2 + H2O SiO2 + 4HF → SiF4 + 2H5O at HF : NH4F = 6 : 1 (7 : 1), 22 ~ 30℃ H3PO4 ↔ H+ + H2PO4-, K1 = 7.5 * 10-3 H2PO4- ↔ H+ + H2PO42-, K1 = 6.2 * 10-8 HPO42- ↔ H+ + PO43-, K1 = 1.7 * 10-12 HF ↑(↓) HNO3 ↓(↑) 일 때는 HNO3 (SiO2 제거능력) 에 의해 식각속도 제어 SiO2 : 절연체로서 반도체 소자 제조공정에서 가장 많이 사용 주로 155℃의 인산용액으로 감광제 층이 그 온도를 견디지 못하기 때문에 Si3N4를 마스크로 활용

12 반도체 제조기술-식각공정 건식식각(플라즈마식각) 플라즈마란? 건식식각은 비등방성으로 미세형상의 식각이 가능함
건식 식각의 장단점 정의 : 전하 및 중성 입자로 구성되어 집단적인 거동을 보이는 준중성 기체. 분류 : 에너지와 밀도에 따라 다름. 크게 열 플라즈마와 저온 플라즈마로 구분. 발생 방법 : DC방전, 용량 결합형 RF 방전,(저밀도 플라즈마) 유도 결합형 RF 방전, 헬리콘파 플라즈마, ECR 플라즈마(고밀도 플라즈마) 장 점 단 점 마스크와 하부층에 대한 선택도가 높다. 비등방성 식각을 통하여 정확한 패턴의 형성이 가능하다 자동화가 가능하여 수율과 생산고가 높다 공해가 적고 작업자의 안전도가 높다. 공정 변수가 많다. 복잡한 물리, 화학반응을 수반하므로 공정의 이해가 어렵다. 플라즈마 내의 이온 충격이나 라디칼에 의한 손상 및 오염의 문제가 있다. 선택도가 습식식각에 비해 떨어진다. 플라즈마란?

13 반도체 제조기술-식각공정 식각이 진행되는 과정 구 분 반응 메커니즘 특 징 물리적 작용에 의한 스퍼터링
구 분 반응 메커니즘 특 징 물리적 작용에 의한 스퍼터링 외부에서 주어진 전계로 인해 가속된 높은 에너지의 이온이 기판을 때려 물리적으로 원자를 탈착시킴 비등방성 식각을 할 수 있으나, 선택성이 결여되어 있다. 화학적 작용에 의한 라디칼 반응 반응성이 강한 라디칼이 표면으로 확산되어 기판 표면과 화학반응을 하여 기화성이 높은 반응 생성물을 만들어 식각이 진행 높은 선택성을 가지고 있으나 비등방성 식각이 어렵다. 물리적, 화학적 작용의 혼합효과 라디칼에 의한 기판 표면의 화학반응이 이온의 물리적 충격에 의해 촉진. 이러한 현상은 이온충격에 의해 기판 표면층이 화학적으로 활성화 되거나, 물리적으로 격자에 손상을 주어 반응을 활성화시키거나, 혹은 기화성 반응물에 에너지를 전달하여 탈착을 촉진 시킨다. 비등방성 식각과 선택적 식각이 가능하여 대부분의 반도체 공정에 사용

14 반도체 제조기술-이온주입 이온주입 : 이온들을 직접 기판의 원하는 부분에 주입하는 공정 장점 이온주입 이란?
빠르고 균일하며 재현성이 있음 정확한 도판트 농도의 조절이 가능함 일정한 도판트의 분포를 얻을 수 있음 여러 번의 다른 에너지를 가진 이온을 주입함으로 도판트의 non-gaussian분포를 얻을 수 있음 수평적인 확산이 적음 이온주입 이란? 반도체 웨이퍼내에 불순물(B, P, As 등의 도판트)을 이온화된 상태로 주입시켜 반도체가 특정한 전기적인 특성을 갖도록 하는 공정

15 반도체 제조기술-이온주입 가속기 : 이온에 충분한 반응실 : 이온만을 분류하고 운동량을 줌 가속시키기 위해서 이온형태로만들어줌
분류기 : 특정 이온만을 선택하고 분류해줌 이온소스 : 실리콘에 주입하는 도판트 이온소스 : 실리콘에 주입하는 도판트

16 반도체 제조기술-이온주입 특징 및 응용 채널링 손 상 어닐링(Annealing) :풀림
이온 빔이 결정면을 뚫고 들어가게 되는 현상 측면으로 불순물이 퍼지는 현상이 적음 단위 면적당의 전체 전하의 양을 정확히 알 수 있음 손 상 어닐링(Annealing) :풀림

17 (Chemical Vopor Decomposition)
반도체 제조기술-박막형성 물리적 방법 화학적 방법 기화법 금속과 반도체 등의 대부분의 물질을 박막화 하는데 사용할 수 있는 기본적인 박막형성 방법. 진공상태에서 가열되어진 금속 물질이 기화되거나 승화되면서 기판의 표면에 증착되는 방법 CVD (Chemical Vopor Decomposition) 원료 화합물을 기체 상태로 반응기 내에 공급하여 기판 표면에서의 화학적 반응을 유도함으로써 기판 위에 박막층을 형성하는 공정 스퍼터링법

18 반도체 제조기술-박막형성 박막성장의 경로 표면에서 화학반응이 진행되어 박막을 형성

19 반도체 제조기술-박막형성 표면반응 제한영역 물질전달 제한영역 열열학적 제한영역 반응속도와 온도

20 반도체 제조기술-박막형성 CVD의 모델링 간단하게 1차 반응이라고 가정 박막 성장 속도 r=F/NA Arrhenius 식
AB(g) → A(s) + B(g) F1 = D D = hG(CG-CS) F2 = KsCs 조건 : F1=F2=F 박막 성장 속도 r=F/NA Arrhenius 식 dc CG - CS ~ = dy δ hG CS = CG (hG+kS) CG hG ≫ kS 일 때 r kS : 표면반응 제한영역 ~ ~ NA CG hG ≪ kS 일 때 r hG : 물질전달 제한영역 ~ ~ NA EA kS = k’exp( ) EA : 활성화 에너지 kT

21 참고문헌 - 무기공업화학 By 한국공업화학회 - Introduction to Semiconductor
Manufacturing Technology By Hong Xiao - 인터넷 검색 등…