반도체의 제조공정과 반도체 특수가스

 

반도체의 제조공정과 반도체 특수가스에 대해서 알아보도록 하겠습니다.

에칭가스(HF외)와 클리닝가스(NF3외)가 어디공정에 쓰이는지 확인해 봅시다.

 

반도체의 제조공정

 

1단계 : 실리콘 웨이퍼 제조공정

1.단결정 성장(쵸크랄스키법)
-.고순도로 정제된 실리콘 용융액에 종자(SEED) 결정을 접촉, 회전시키면서 단결정 규소봉(ingot)을 성장시킨다.

2.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.

3.경면 연마
-.웨이퍼의 한쪽 면을 연마하여 거울처럼 만들어주며, 이 연마된 면에 회로패턴을 그려 넣게 된다.

 

2단계 : 회로설계  및 마스크 제작

1.회로설계
-.CAD(Computer Aided Design) 시스템을 사용하여 실제 웨이퍼 위에 그려질 회로패턴을 설계한다.

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.

 

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 

1. Oxidation(산화)
-.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.

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.
-.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.

3. 노광(Exposure)
-.Stepper를 사용하여 마스트에 그려진 회로패턴에 빛을 통과시켜 PR막이 형성된 웨이퍼 위에 회로패턴을 전사하는 공정
-.Stepper는 포토레지스트로 코팅된 웨이퍼에 하나의 소자층의 이미지를 가진 reticle을 통해 단파 UV광으로 노출시킨다.

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 ℃)에서 열처리한다. (hard baking)

5. 식각, 에칭(ETCHING)
-.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. 지금은 가스를 통한 건식 에칭(dry etching)이 일반적이다.

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.

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
-.이온 주입은 더 얇은(Shallow)접합, 더 낮은 프로세스 온도, 그리고 더 정확한 조절 등이 필요한 곳에 사용한다.
-.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.

 
8. 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition, CVD)공정
-.가스간의 화학반응으로 형성된 입자들을 웨이퍼 표면에 증착하여 절연막이나 전도성 막을 형성시키는 공정
-.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.

9. 금속배선(Metallization)
-.웨이퍼 표면에 형성된 각 회로를 금속(알루미늄)선으로 연결시키는 공정
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.
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.
 
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 450℃에서 550℃의 온도에서 수 십분 간 실시한다.
-.합금 공정이 끝난 후에는 기체 혼합물을 이용하여 웨이퍼 표면의 구조와 물성을 안정화시키기 위하여 열처리 공정을 한다.
-.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)

11. 금속 식각(Metal Etch) 
-.소자의 도전 회로의 길을 남겨놓기 위해 선택적으로 알루미늄 층을 제거한다. 

12. 보호(부동태)막 형성 
-.생성된 후에 남아있는 포토 레지스트를 제거하고 반도체의 표면 위에 보호막(질화물/산화물)을 씌운다.

 

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.

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.
 
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 ℃이상으로 가열하면서 패키지상에 다이를 올려놓아 다이와 패키지를 접착시키는 방법이다.
-.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 ℃~ 175 ℃ 온도에서 사용한다.
-.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.
 
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.

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.

 

반도체의 제조공정을 요약하자면 아래와 같습니다.

1단계 : 실리콘 웨이퍼 제조
단결정성장, 절단, 연마, 세척/검사

2단계 : 회로설계  및 마스크 제작
회로설계, 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

 

 

반도체 제조공정별 특수가스

□ 다결정 실리콘 제조

반도체 제조공정은 D램, SD램, 플래시메모리, 실리콘반도체 등 반도체의 종류에 따라 상당한 차이가 있지만 가장 첫단계는 반도체의 기본재료인 웨이퍼를 만들기 위한 ‘단결정 성장 공정’이다.

이 공정은 고순도로 정제된 실리콘 용융액에 씨앗(seed)의 역할을 하는 결정(結晶)을 넣어 회전시키는 공정으로 이렇게 하면 조개에 작은 핵을 넣어 진주가 되듯 작은 결정을 중심으로 실리콘 용융액이 뭉쳐지면서 웨이퍼(wafer)이 기본이 되는 고체형 단결정 규소봉이 만들어진다.

이와관련 실리콘반도체의 경우 단결정 규소봉 대신 ‘단결정 실리콘’이 사용되는데 단결정 실리콘의 전단계인 다결정 실리콘의 제조에 고순도 수소(H2), 고순도 모노실란(SiH4) 또는 삼염화실란(SiHCl3)이 사용된다.

□ 에피텍시(epitaxy)

에피텍시(epitaxy) 공정은 단결정실리콘 위에 각종 반도체 관련 재료들을 올려놓기 위해 일종의 얇은 필름으로 실리콘의 표면을 덮는 코팅공정이다.

각 재료들이 특정 위치에 정확히 위치할 수 있도록 기초공사를 하는 것으로 이해하면 된다.

특수가스를 활용해 화학적으로 코팅물질을 증착시킨다하여 대개 CVD(Chemical Vapor Deposition)공정으로 불린다.

구체적으로 에피텍시 공정은 낮은 압력에서 특수가스와의 화학반응을 통해 증착시키는 LPCVD(Low Pressure CVD), 일반대기압에서 증착시키는 APCVD(Atmospheric Pressure CVD), 고압에서 증착시키는 HPCVD(High Pressure CVD), 강력한 전압으로 플라즈마를 발생시켜 증착시키는 PECVD(Plasma Enhanced CVD), 갈륨.인.알루미늄 등 금속유기물을 증착시키는 MOCVD(금속유기화학기상증착) 등으로 구분된다.

이 공정에는 고순도 SiH4, SiH2Cl2, SiHCl3, SiCl4, GeH4, B2H6, BBr3, BCl3, AsH3, PH3, TeH2, SnCl4, GeCl4, WF6, NH3, CH4, Cl2, MoF6 등의 특수가스가 사용되며 운반기체(carrier gas)로서 고순도 수소(H2)와 질소(N2)가 사용된다.

□ 에칭(etching)

에칭(etching)공정은 식각(蝕刻)공정이라고도 하는데 명칭에서도 알 수 있듯이 웨이퍼에 불필요한 부분을 화학물질이나 특수가스를 사용해 제거해내는 공정을 의미한다.

과거에는 화학 수용액을 사용했었지만 반도체의 정밀도를 낮춘다는 이유로 지금은 가스를 통한 건식 에칭(dry etching)이 일반적이다.

건식에칭은 다시 기상에칭, 플라즈마에칭, 이온빔에칭 등으로 나뉘는데

‘기상에칭’의 경우 HCl, HF, HBr, SF6, Cl2 등의 기체가스를 사용하지만 기존의 습식에칭과 별다른 차이가 없기 때문에 건식에칭에 포함시키지 않는 경우도 있다.

'플라즈마에칭'은 특수가스를 감압(減壓)시켜 방전함으로서 일반 대기압에서 얻을수 없는 강한 반응성의 물질을 생성, 에칭을 하는 방법으로 SiF4, CF4, C3F8, C2F6, CHF3, CClF3, O2 등이 사용된다.

마지막으로 '이온빔에칭'은 가스의 이온(ion)을 가속시켜 이를 웨이퍼 기판 표면에 부딪치게 함으로서 식각을 이뤄내는 방식으로 C3F8, CHF3, CClF3, CF4 등의 특수가스가 활용된다.

□ 클리닝(cleaning)

클리닝(cleaning)은 웨이퍼 등을 화공약품 및 순수한 물(De Ionized Water)로서 깨끗이 닦아내는 공정으로 일정부분에서는 에칭공정과도 유사한 개념이라고 할 수 있다.

클리닝 공정에는 NF3, CF4, C2F6, C3F8, SF6 등이 사용된다.

□ 이온주입 (ion implantation)

이온주입(ion implantation)공정은 반도체 소자의 전기적 특성을 의도한 수준으로 조절하기 위해 반도체 웨이퍼의 특정부분에만 수 keV～수백 keV까지 고전압으로 가속시킨 이온(ion)을 주입하는 공정이다.

이렇게 이온을 물리적으로 주입함으로서 전기저항 등과 같은 웨이퍼의 물리적 특성을 통제할 수 있다.

이온주입장치에 사용되는 특수가스로는 AsH3, PH3, PF5, BF3, AsF5, BCl3, SiF4, SF6 등이 있다.

□ 도핑(doping)

도핑(doping)공정은 반도체 웨이퍼에 붕소, 알루미늄, 인, 비소 등의 불순물(dopant)을 주입하는 것을 말한다.

이같은 도핑공정을 통해 웨이퍼의 전도(傳導) 특성을 향상시킬 수 있으며 주입되는 불순물에 따라 ‘P형(positive-type) 반도체’와 ‘N형(negative-type) 반도체’가 만들어진다.

이러한 도핑공정에는 AsH3, H2S, GeH3, SeH2, SbH3, AsCl3, AsF3, PH3, PCl3, B2H6, BF3 등의 특수가스가 쓰여진다.

□ 어닐링 (annealing)

어닐링(annealing)은 쉽게 말해 에칭공정, 이온주입공정 등 각종 공정에서 반도체 웨이퍼가 받았던 물리적.화학적 스트레스를 열처리를 통해 풀어주는 공정이다.

적절한 온도로 웨이퍼를 가열한후 충분한 시간동안 서서히 냉각시킴으로서 최초 웨이퍼가 지녔던 가장 안정된 상태로 물성을 되돌리게 된다.

이 과정에 질소(N2)와 수소(H2)의 혼합가스를 사용한다.

□ 패시베이션 (passivation)

패시베이션(passivation)공정은 반도체 칩의 표면에 보호막을 코팅하는 작업으로 반도체제조공정의 최후반부에 진행된다.

SiO2(산화규소)가 보호막의 역할을 수행하며 O2, SiH4, PH3 등이 공정용가스로 사용된다.

□ 블랜켓팅 (blanketing)

블랜켓팅(blanketing)은 담요라는 의미의 ‘blanket’에서 유래한 것으로 완성된 반도체를 포장하기 직전에 오염물질로부터 반도체를 보호하기 위한 공정이다.

보호용가스로 불활성가스인 아르곤(Ar), 헬륨(He), 질소(N2) 등을 주입한다.

 

반도체 특수가스 요약하자면 아래와 같습니다.

일본의 경제제재로 애칭가스인 고순도 불화수소등 반도체 재료관련 수출규제로 험난한 시기를 보내고 있습니다. 

독성가스인 불화수소에 대한 MSDS(물질안전보건자료)를 참조하시기 바랍니다.

링크 : 반도체 제조공정 쉽게 이해하는 만화

출처 : http://blog.naver.com/mobint/70012701594