본문내용
1. 반도체 기본 공정 기술
1.1. 웨이퍼
웨이퍼는 반도체 직접 회로를 만드는 주요재료로 실리콘(Si), 갈륨 아세나이드(GaAs) 등을 성장시켜 얻은 단결정 기둥(Ingot)를 적당한 지름으로 얇게 썬 원판모양의 판을 말한다. 대부분의 웨이퍼는 실리콘으로 만들어지며, 실리콘은 안정적으로 얻을 수 있는 재료이고 환경적으로 우수한 장점이 있다. 실리콘은 원가가 저렴하고 특성이 우수하며 열에도 강하다. 하지만 고출력이 필요한 전력 반도체의 경우 실리콘만으로는 출력이 부족하거나 반도체의 크기가 너무 커질 수 있기 때문에 탄화규소 또는 질화갈륨과 같은 소재로도 웨이퍼를 제작한다.
실리콘 웨이퍼를 만들기 위해서는 먼저 뜨거운 열로 녹여 고 순도의 실리콘 용액을 만들고 실리콘 원기둥인 잉곳을 만들어야 한다. 잉곳은 실리콘 결정 성장기술인 초크랄스키법, 플로팅존법 등을 이용하여 얻을 수 있다. 초크랄스키법은 결정 성장장치를 이용하여 도가니로 다결정 실리콘을 용해 및 서서히 끌어올려 성장시키는 방법이다. 단결정 실리콘을 내려서 녹아있는 실리콘 용액 위 표면에 접촉시키고 단결정 실리콘을 천천히 끌어올리면 고상과 액상 사이의 계면에서 냉각이 일어나 큰 단 결정체가 성장된다.
웨이퍼는 잉곳을 다이아몬드 톱이나 레이저를 이용해 균일한 두께로 얇게 절단하여 만든다. 웨이퍼의 크기는 잉곳의 지름에 따라 결정되며, 웨이퍼가 클수록 한 번에 생산할 수 있는 IC칩수가 증가하여 원가를 절감할 수 있지만 지름이 클수록 균일한 단결정 잉곳을 뽑아내기 힘들어진다. 또한 웨이퍼가 얇을수록 웨이퍼의 장수가 많아지지만 충격에 약하고 가공하기 까다롭다는 단점이 있다.
웨이퍼의 주요 부위로는 다이, 스크라이브 라인, 플랫 존, 노치 등이 있다. 다이는 웨이퍼 하나에 여러 개의 칩을 만드는 영역을 말하며, 스크라이브 라인은 칩 사이의 경계로 아무 전자 회로가 없는 부분이다. 플랫 존은 웨이퍼의 결정구조를 쉽게 판별하기 위해 웨이퍼의 일부를 잘라낸 부분이며, 노치는 플랫 존과 비슷한 용도로 플랫 존보다 절삭되는 공간이 적어 더 많이 사용된다.
1.2. 산화
웨이퍼 표면에 여러 가지 물질을 형성시킨 후, 설계된 회로의 모양대로 깎고, 다시 물질을 입혀 깎아내는 반복 과정이 필요한데 이때 모든 공정의 기초 단계가 바로 "산화" 공정이다.
산화공정에는 열 산화, 전기 화학적 양극 처리, 플라즈마 보강 화학적 기상증착 등의 방법이 있는데, 보통 고온에서 산소나 수증기를 웨이퍼 표면에 뿌려 얇고 균일한 실리콘 산화막을 형성시키는 열 산화를 많이 이용한다. 이렇게 형성된 산화막은 공정 시 발생하는 오염물질이나 화학 물질로부터 실리콘 표면을 보호하는 매우 중요한 역할을 한다. 또한 산화막은 이온 주입법으로 주입된 불순물이 웨이퍼 표면에 도달하는 것을 막아 주는 보호막 역할과 웨이퍼 위에 그려지는 각 배선이 합선되지 않도록 구분하여 절연막 역할을 한다. 그리고 식각 공정에서 필요한 부분이 깎이는 것을 방지해주는 역할도 한다.
열 산화 방법은 산소(O2)와 반응시켜 산화막을 형성하는 방법으로, 순수한 산소와 반응시켜 실리콘 산화막(SiO2)을 형성한다. 이 방법은 산화막 성장 속도가 느려 주로 얇은 막을 형성할 때 사용되며, 전기적 특성이 좋은 산화막을 만들 수 있다는 장점이 있다. 하지만 시간이 오래 걸린다는 단점이 있다. 습식 산화 방법은 산소(O2)와 수증기(H2O)를 함께 사용하여 실리콘 산화막을 형성하는 방법으로, 산화막 성장 속도가 건식 산화보다 빠르고 두꺼운 막을 형성할 수 있다. 하지만 건식 산화에 비해 산화막의 밀도가 낮아 질이 떨어진다는 단점이 있다.
이처럼 반도체 제조 공정의 기초가 되는 산화 공정은 실리콘 웨이퍼 표면에 다양한 물질을 형성하고 보호하는 핵심적인 역할을 하고 있다.
1.3. 포토리소그래피
포토리소그래피는 웨이퍼 위에 산화 공정을 통해 산화막을 씌운 뒤 포토 공정을 통해 원하는 회로를 전사시키는 공정이다. 반도체 회로를 본격적으로 그리기 시작하는 과정으로, 준비된 웨이퍼 위에 빛에 반응하는 감광성 고분자 물질인 PR 또는 LOP를 얇게 코팅한 후 원하는 패턴의 마스크를 올려놓고 빛을 쪼여 원하는 패턴을 형성하는 과정이다.
포토 공정은 먼저 회로 설계와 마스크 제작으로 시작한다. 캐드 프로그램을 이용해 웨이퍼에 그려 넣을 회로를 설계하고, 이를 순도가 높은 석영을 가공하여 만든 유리판 위에 크롬으로 도면의 정밀회로를 담는다. 이때 마스크의 정밀도가 반도체의 집적도를 결정한다.
다음으로 감광액 도포 공정을 진행한다. 웨이퍼 표면에 빛에 민감한 물질인 감광액을 골고루 바르는데, 이때 진공척 위에 웨이퍼를 고정하고 감광액을 웨이퍼 중심에 분사한 후 고속회전을 통해 균일하게 도포한다. 고품질의 회로 패턴을 얻기 위해서는 감광액 막이 얇고 균일해야 하며, 자외선에 대한 감도가 높아야 한다. 회전 속도, 온도, 습도 등 다양한 조건을 정밀하게 제어해야 한다.
그 다음 노광 공정이 이루어진다. 감광액 막을 형성한 웨이퍼를 마스크에 빛을 통과시켜 웨이퍼에 회로를 찍어내는 과정이다. 마스크를 웨이퍼 위에 직접 올려놓고 회로패턴을 1:1로 형성시키는 접촉 방식, 마스크와 웨이퍼 사이를 띄워 빛이 회절되는 현상을 최소화하는 근접 투영 방식, 그리고 렌즈를 사용해 마스크 형상을 축소 전사하는 투영 전사 방식 등 다양한 방법이 사용된다. 최근에는 빛의 굴절률을 높여 해상도를 향상시키는 습식 타입 노광도 적용되고 있다. 노광이 완료된 후에는 감광액 내 PAC를 활성화시켜 감광액 표면을 평탄화하고 정재파를 줄이는 후노광 공정도 진행된다.
마지막으로 현상 공정이 이루어진다. 현상액을 사용해 노광된 영역과 노광되지 않은 영역을 선택적으로 제거하여 회로 패턴을 형성하는 것이다. 양성 감광액은 노광되지 않은 영역을, 음성 감광액은 노광된 영역을 남긴다. 남은 감광막은 후속 식각 공정에서 하부 막을 보호하는 역할을 한다.
포토 공정은 점점 짧은 파장의 빛을 사용하고 다양한 투영 방식이 도입되는 등 발전해왔다. 현재는 G-Line, I-Line, KrF, ArF 등의 파장이 사용되고 있으며, 마스크가 필요 없는 방식도 도입되고 있다. 이를 통해 미세화된 회로 패턴을 형성할 수 있게 되었다.
1.4. 식각
식각 공정은 포토 공정 후 감광막이 없는 하부 막을 제거해 필요한 패턴을 남기는 단계이다. 마스크 패턴이 PR로 코팅된 웨이퍼에 내려온 후 PR패턴이 다시 PR하부에 형성된 막으로 이동되는 과정이다. 웨이퍼에 액체 또는 기체의 부식액을 이용해 불필요한 부분을 선택적으로 제거한다. 포토 공정에서 형성된 감광액 부분을 남겨둔 채 나머지 부분을 부식액을 이용해 벗겨 냄으로 써 회로를 형성한다. 식각이 끝나면 감광액도 제거해 반도체를 구성하는 여러 층의 얇은 막에 원하는 회로 패턴을 형성하는 과정을 반복한다.
식각공정은 식각 반응을 일으키는 물질의 상태에 따라 습식과 건식으로 나뉜다. 건식 식각은 반응성 기체, 이온 등을 이용해 특정 부위를 제거하는 방법이며, 습식 식각은 용액을 이용 화학적인 반응을 통해 식각하는 방법이다.
건식 식각은 플라즈마 식각이라고도 하는데 일반 대기압보다 낮은 압력인 진공 챔버에가스를 주입한 후, 전기 에너지를 공급하여 플라즈마를 발생시킨다. 플라즈마는 많은 수의 자유전자, 이온, 중성의 원자 또는 분자로 구성되어 이온화된 기체를 말한다. 플라즈마의 자유전자가 중성 원자나 분자와 충돌하여 이온화를 일으키면서 연쇄반응으로 이온의 수가 기하급수적으로 늘어나게 된다. 이 상태의 플라즈마가 웨이퍼 위를 덮고 있는 막질 원자와 만나 강한 휘발성을 띠면서 표면에서 떨어져 나가게 된다. 이러한 반응을 통해 감광액 보호막을 가려져 있지 않은 막질은 제거된다. 건식 식각은 정확성이 좋아 미세 패터닝이 가능하지만 비용이 비싸며 과정이 복잡하다.
건식 식각에서 주의해야 할 부분은 식각의 균일도와 식각속도이다. 식각 속도는 표면 반응에 필요한 반응성 원자와 이온의 양, 이온이 가진 에너지에 의해 달라진다. 균일도는 웨이퍼 상의 여러 지점에서 식각이 일정한 속도로 이루어지는지를 의미하며, 이를 위해서는 정밀한 공정 제어가 필요하다.
습식 식각은 액체의 화학 물질을 사용하여 박막을 식각 하는 공정이다. 비등방성인 건식 식각에 비해 등방성으로 식각이 되어 미세 패턴을 구현하기 어렵지만 일괄처리가 가능해 높은 생산성을 지닌다. 또한 화학약품 사용으로 인해 선택비, 즉 식각 되는 막질과 보호막의 식각 속도 차이가 크다는 장점이 있다.
반도체 제조 공정에서 식각 기술은 매우 중요한 역할을 한다. 정확하고 균일한 식각을 통해 원하는 회로 패턴을 형성하고, 이를 바탕으로 소자의 미세화 및 고집적화를 달성할 수 있기 때문이다. 또한 공정의 안정성 및 수율 향상에도 핵심적인 기술이라 할 수 있다.
1.5. 확산
확산은 반도체 웨이퍼에 특정한 불순물을 주입함으로써 특정한 영역을 형성하는 공정이다. 이러한 도핑을 통해 반도체의 전기적 특성을 변화시킬 수 있다. 도펀트로는 도너와 억셉터가 있는데, 도너는 자유전자를 내놓아 n-type 반도체를, 억셉터는 정공을 내놓아 p-type 반도체를 형성한다.
확산 공정에서는 고온의 석영 튜브 노에 반도체 웨이퍼를 넣거나 도펀트가 포함된 가스를 유입시켜 웨이퍼 표면에 얇게 도펀트를 증착한 후 열처리하여 웨이퍼 내부로 도펀트를 확산시킨다. 실리콘의 경우 보통 P형(붕소), N형(비소, 인) 도펀트를 사용한다.
...
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15