소개글
"반도체공정 중간"에 대한 내용입니다.
목차
1. 반도체의 정의와 특성
1.1. 도체, 부도체, 반도체의 구분
1.2. 실리콘과 게르마늄의 반도체 특성
1.3. 불순물 도핑을 통한 n형, p형 반도체
2. 반도체 소자의 구조와 동작 원리
2.1. PN 접합 다이오드
2.2. MOS 구조와 MOSFET 트랜지스터
2.3. 접합 구조와 금속-반도체 접촉
3. 반도체 제조 공정
3.1. 웨이퍼 제조 및 준비
3.2. 박막 증착 공정
3.3. 포토리소그래피와 식각 공정
3.4. 이온 주입과 확산 공정
3.5. 금속 배선 공정
3.6. 세정 및 연마 공정
4. 반도체 검사와 패키징
4.1. 웨이퍼 레벨 검사
4.2. 패키지 조립 공정
4.3. 신뢰성 검사
5. 최신 반도체 기술 동향
5.1. 극자외선 포토리소그래피
5.2. 새로운 트랜지스터 구조
5.3. 3D 집적 기술
6. 참고 문헌
본문내용
1. 반도체의 정의와 특성
1.1. 도체, 부도체, 반도체의 구분
도체, 부도체, 반도체의 구분은 물질의 전기 전도도에 따라 이루어진다. 전기가 잘 흐르는 물질을 도체, 전기가 거의 흐르지 않는 물질을 부도체, 전류가 잘 흐르기는 하지만 부도체와 도체의 중간 정도의 전기 전도도를 가지는 물질을 반도체라고 한다.
도체는 전자가 자유롭게 움직여 전류가 잘 흐르는 물질로, 금속이 대표적인 예이다. 반면 부도체는 전자가 원자에 강하게 묶여 있어 전류가 거의 흐르지 않는 물질로, 유리나 플라스틱이 대표적이다. 반도체는 도체와 부도체의 중간적인 성질을 가지고 있어 외부의 온도, 빛, 전압 등의 변화에 따라 전기 전도도가 달라질 수 있는데, 대표적인 반도체 물질로는 실리콘(Si)과 게르마늄(Ge)이 있다.
1.2. 실리콘과 게르마늄의 반도체 특성
실리콘은 반도체 재료로 널리 사용되는데, 그 이유는 원재료를 얻기 쉽고 가격이 싸며 높은 온도(1414도)의 녹는점과 고순도의 불순물 정제 기술 발달로 인해 저가이면서 고품질의 웨이퍼를 생산할 수 있기 때문이다. 또한 실리콘 산화막의 특성이 다른 반도체 재료에 비해 월등히 우수하다.
반면 게르마늄은 초기 반도체 산업에서 널리 사용되었지만 현재는 실리콘에 비해 내부 열 안정성이 낮고 고온 공정에 취약하며 리크 전류가 크고 전력 소모가 많은 단점으로 인해 점차 실리콘으로 대체되고 있다. 게르마늄은 실리콘에 비해 밴드갭이 작아 열적으로 생성되는 전자-정공 쌍의 농도가 높다. 이로 인해 게르마늄 소자는 상온에서도 동작할 수 있지만, 반대로 역전압 하에서 문제가 되는 누설 전류가 크게 발생한다는 단점이 있다.
실리콘과 게르마늄은 모두 4족 원소로 구성되어 있어 같은 다이아몬드 결정 구조를 가지지만, 원자반경의 차이로 인해 실리콘의 격자상수가 약 2.3% 크다. 이로 인해 실리콘은 게르마늄에 비해 더 단단하고 취성이 강한 편이다. 또한 실리콘은 게르마늄보다 열전도도가 낮고 전자 이동도가 작은 편이다. 하지만 실리콘은 게르마늄에 비해 안정적이고 내부식성이 뛰어나 보다 높은 신뢰성을 가지고 있다.
이와 같은 실리콘과 게르마늄의 물리적, 전기적 특성 차이로 인해 실리콘은 주로 디지털 논리 회로, 메모리 등에 사용되고 게르마늄은 아날로그 회로, 고주파 증폭기 등의 용도로 활용되고 있다.
1.3. 불순물 도핑을 통한 n형, p형 반도체
실리콘과 같은 반도체 물질은 순수한 상태에서는 열적으로 생성된 전자-정공 쌍만이 캐리어로 작용하기 때문에 캐리어 농도가 너무 낮아 소자로 사용하기에는 부족하다. 따라서 외부에서 불순물을 첨가하여 캐리어 농도를 높이는 도핑 공정이 필요하다.
진성 반도체에 5족 원소인 인(P), 비소(As) 등의 불순물을 주입하면 n형 반도체가 된다. 이때 5족 불순물의 최외각 전자 중 4개는 실리콘과 공유결합을 하고 남은 1개의 전자는 핵과의 인력이 약하므로 약간의 에너지만 받아도 쉽게 자유전자가 된다. 따라서 n형 반도체에서는 다수 캐리어가 전자가 되고 소수 캐리어는 정공이 된다.
반면에 진성 반도체에 3족 원소인 붕소(B)와 같은 불순물을 주입하면 p형 반도체가 된다. 3족 불순물의 최외각 전자 3개는 실리콘과 공유결합을 하지만 1개의 전자가 부족하게 되어 정공이 발생한다. 이때 주위의 전자가 이 정공으로 쉽게 이동할 수 있게 되어 정공에 의한 전도가 가능해진다. 따라서 p형 반도체에서는 다수 캐리어가 정공이 되고 소수 캐리어는 전자가 된다.
이처럼 진성 반도체에 5족 또는 3족 불순물을 주입하면 전자 또는 정공의 농도를 높여 전기적 특성을 향상시킬 수 있으며, 이렇게 형성된 n형 반도체와 p형 반도체를 접합하면 PN 접합 다이오드와 같은 기본적인 반도체 소자를 구현할 수 있다.
2. 반도체 소자의 구조와 동작 원리
2.1. PN 접합 다이오드
PN 접합 다이오드는 p형 반도체와 n형 반도체를 접합한 2단자 소자이다. p형 반도체와 n형 반도체가 접하는 경계는 금속학적 접합이라 부르며, p영역에 연결된 전극을 양극(Anode), n영역에 연결된 전극을 음극(Cathode)으로 정의한다.
열 평형 상태에서는 p형 반도체와 n형 반도체 사이의 큰 농도 차이로 인해 전자와 정공이 확산되기 시작한다. n영역의 다수 캐리어인 전자는 p영역으로 확산되고, p영역의 다수 캐리어인 정공은 n영역으로 확산된다. 이 과정에서 전자와 정공은 서로 재결합한다.
하지만 확산 과정은 무한정 지속되지 않으며, 확산에 따른 이동으로 n영역에는 양전하를 띠는 도너 이온(양이온), p영역에는 음전하를 띠는 억셉터 이온(음이온)이 남게 된다. 이러한 공간전하 영역으로 인해 전자와 정공의 이동이 제한되어 전기적 평형 상태가 유지된다.
열 평형 상태의 PN 접합 다이오드에 전압을 인가하면 비평형 상태가 되어 일정한 페르미 에너지 준위를 갖지 않게 된다. n영역에 대하여 p영역에 양의 전압이 인가되면 순방향 바이어스 상태가 되어 공핍 영역의 폭이 감소하고 전류가 흐르게 된다. 반대로 p영역에 대하여 n영역에 양의 전압이 인가되면 역방향 바이어스 상태가 되어 공핍 영역의 폭이 증가하고 전류는 거의 흐르지 않는다. 하지만 역방향 전압을 계속 증가시키면 밴드간 터널링 또는 눈사태 현상에 의한 항복 현상으로 큰 전류가 흐르게 된다.PN 접합 다이오드는 전류의 흐름 방향을 제어할 수 있는 정류 특성을 가지고 있어 전자기기에 널리 사용된다. 다이오드는 단방향 전류 통과와 차단이 가능하여 전압 정류, 검파, 스위칭 등의 기능을 수행할 수 있다. 또한 발광다이오드(LED)와 같이 전류가 흐를 때 빛을 내는 소자로도 활용된다.
PN 접합 다이오드는 전기 회로 분야에서 매우 중요한 반도체 소자이며, 다양한 응용 분야에 사용되고 있다. 예를 들어 정류 회로, 전압 조정기, 검파기, 클램프 회로, 스위칭 회로 등에 활용되고 있다. 이처럼 PN 접합 다이오드는 반도체 소자 중에서도 가장 기본적이면서도 핵심적인 소자 중 하나라고 할 수 있다.
2.2. MOS 구조와 MOSFET 트랜지스터
MOS 구조와 MOSFET 트랜지스터는 반도체 소자의 구조와 동작 원리에서 중요한 부분을 차지한다. MOS 캐퍼시터는 금속-절연막-반도체로 이루어진 구조로, MOSFET의 가장 핵심적인 부분이다.
MOS 캐퍼시터의 양단...
참고 자료
반도체제조공정 강의 자료
삼성디스플레이, “SamsungDisplayNews”,https://news.samsungdisplay.com/22278
과학기술정보통신부,『2022나노기술교육과정 나노소자 공정』, 나노기술연구협의회
김상완, 김태성, 황의성, 오재형, 박종천, 서민석, 박용신, 함호찬, 이공수 『SEMI 반도체공정기술교육2022』, SEMI, 2022
김용현,『반도체 전공면접 한번에 통과하기』, (주)시대고시기획, 2021
http://blog.skhynix.com/211
하이닉스 블로그 참조 : http://blog.skhynix.com/7
네이버 백과사전 참조 : http://terms.naver.com/entry.nhn?docId=2073325&cid=613&categoryId=613
