본문내용
1. 반도체 공정 실습
1.1. 웨이퍼 준비
1.1.1. 웨이퍼의 종류
웨이퍼는 p형과 n형이 있으며 결정 방향에 따라 (0 0 1)부터 (1 1 1)로 나뉜다. 채널의 종류, 도핑 타입, 도핑 농도에 따라 저항 특성이 달라지며 결정 방향에 따라 면밀도 차이로 인해 특성이 변화한다. 예를 들어 (1 1 1) 방향의 웨이퍼는 (0 0 1) 방향에 비해 면밀도가 더 높아 전자의 이동도가 좋다. 이처럼 웨이퍼의 결정 방향은 소자의 성능에 중요한 영향을 미치므로, 공정 시 이를 고려해야 한다.
1.1.2. 웨이퍼 클리닝 공정
웨이퍼 클리닝 공정은 Si 웨이퍼 표면 위 공기 중 산소와 만나 형성된 얇은 산화층과 먼지를 제거하기 위한 과정이다. 이를 통해 이후 공정에서 웨이퍼 표면의 균일성을 높이고 오염을 최소화할 수 있다.
클리닝 공정은 크게 SPM-Clean, APM-Clean, HPM-Clean, HF-Clean의 4단계로 구성된다.
SPM-Clean은 황산(H2SO4)과 과산화수소수(H2O2)의 혼합용액으로 웨이퍼 표면의 유기물과 금속 이물질을 제거한다.
APM-Clean은 암모니아(NH3)와 과산화수소수(H2O2)의 혼합용액인 SC1 용액을 이용하여 먼지와 유기 오염물을 제거한다.
HPM-Clean은 염산(HCl)과 과산화수소수(H2O2)의 혼합용액인 SC2 용액으로 금속 오염물을 제거한다.
마지막으로 HF-Clean은 세정 공정 중 생성될 수 있는 자연 산화막을 불화수소(HF) 용액을 이용해 제거한다.
이와 같은 4단계의 클리닝 공정을 통해 웨이퍼 표면의 오염물질을 효과적으로 제거하여 후속 공정에 적합한 깨끗한 표면을 확보할 수 있다.
1.2. 이온주입 공정
1.2.1. 이온주입 공정의 목적
이온주입 공정의 목적은 극성을 띠는 이온을 가속시켜 웨이퍼 표면에 주입함으로써 웨이퍼 표면의 도핑 농도를 변화시키는 것이다. 이온주입 공정을 통해 웨이퍼 표면의 도핑 유형을 n형 또는 p형으로 제어할 수 있다. 이온주입 공정은 반도체 소자 제작에 필수적인 공정으로, 원하는 도핑 프로파일을 형성하여 소자의 전기적 특성을 결정하는 데 활용된다.""
1.2.2. 이온주입 공정의 원리
이온주입 공정의 원리는 다음과 같다.
이온주입 공정은 Ion Source에서 중성가스에 열전자와 충돌시켜 이온을 형성하고, Mass Analyzer에서 원하는 이온을 선별하여 웨이퍼 표면에 가속 및 주입하는 것이다. Mass Analyzer에서는 로렌츠힘과 구심력을 이용하여 다른 이온들과 선별이 가능하다. 이때 서로 다른 이온들의 반지름이 달라질 수 있는 요인은 분모에 있는 전하량이다.
주입되는 이온의 양은 이온 주입 에너지와 Dose에 의해 결정된다. 이온 주입 에너지가 커지면 이온의 침투 깊이가 깊어지므로 두께 또한 증가한다. 따라서 면저항은 낮아지게 된다. 또한 Dose가 증가하면 캐리어수가 많아져 비저항 치수가 낮아지므로 면저항 또한 감소한다.""
1.2.3. 실습 내용
이온주입공정의 실습 내용은 다음과 같다.
이온주입 장비를 이용하여 웨이퍼 표면에 원하는 이온을 주입하는 공정을 실습한다. 먼저 이온 소스에서 중성 가스에 열전자를 충돌시켜 이온을 형성한다. 이어서 질량분석기를 통해 원하는 이온을 선별하여 가속시킨다. 가속된 이온이 웨이퍼 표면에 주입되면서 웨이퍼 표면의 도핑 농도가 변화하게 된다.
이온 주입 장비의 가스 공급 표시 디스플레이를 통해 주입할 가스를 선택할 수 있다. 주입된 이온의 양에 따라 웨이퍼 표면의 면저항 값이 달라지게 되는데, 면저항 측정을 통해 주입 결과를 분석할 수 있다. 주입 에너지가 커질수록 이온의 침투 깊이가 깊어져 두께가 증가하므로 면저항이 낮아지게 되고, 주입 dose가 증가할수록 캐리어수가 늘어나 비저항이 감소하여 면저항이 감소하게 된다.
이와 같은 실습을 통해 이온주입 공정의 원리와 결과 분석 방법을 이해할 수 있다.
1.3. 산화 공정
1.3.1. 산화 공정의 목적
산화 공정의 목적은 실리콘 기판 위에 산화제를 (O2,H2O) 열과 함께 공급하여, 전기가 통하지 않는 성질을 가진 절연막(SiO2)막을 형성하기 위한 것이다. 이 절연막은 반도체 소자에서 중요한 역할을 하는데, 게이트 전극과 채널 영역 사이에 위치하여 전자의 이동을 제어하는 역할을 한다. 또한 서로 다른 금속 배선 사이에도 절연층으로 사용되어 단락을 방지한다. 이처럼 산화 공정은 반도체 소자를 제작하는 데 필수적인 공정이라고 할 수 있다.
1.3.2. 산화 공정의 종류
산화 공정의 종류에는 습식 산화(Wet Oxidation)와 건식 산화(Dry Oxidation)로 구분된다.
습식 산화는 수증기를 산화제로 사용하여 실리콘 웨이퍼 표면에 산화막을 형성하는 공정이다. 수증기 분위기에서 공정을 진행하기 때문에 빠른 산화 속도와 균일한 산화막 형성이 가능하다. 하지만 웨이퍼 표면에 불순물이 잔류할 수 있어 전기적 특성이 저하될 수 있다는 단점이 있다.
건식 산화는 산소 가스를 산화제로 사용하여 실리콘 웨이퍼 표면에 산화막을 형성하는 공정이다. 수증기가 없기 때문에 습식 산화에 비해 산화 속도가 느리지만, 산화막의 품질이 우수하고 불순물 혼입이 적어 전기적 특성이 향상된다. 또한 공정 온도가 낮아 소자의 열화를 방지할 수 있다는 장점이 있다.
1.3.3. 실습 과정
사람 손으로 퍼니스에 웨이퍼를 집어 넣을 수 없으니 로봇팔을 이용해서 산화시킬 웨이퍼를 집어넣는다고 한다. 퍼니스 구조상 산화 균일성을 위해 산화시킬 웨이퍼 앞 뒤로 Dummy Wafer(더미 웨이퍼)가 필요하다고 설명하고 있다.
웨이퍼의 SiO2 두께는 시간이 0에 가까울 때는 시간이 증가함에 따라 선형적으로 증가하다가 시간이 어느 순간을 지나게 되면 웨이퍼 산화막의 두께 성장은 점점 제곱근의 형태로 변하게 된다는 것을 언급한다. 이는 충분한 시간을 산화시켜도 실험자가 원하는 만큼의 산화막 성장이 이루어지지 않을 수 있음을 보여준다.
1.4. 금속 공정
1.4.1. 금속 공정의 목적
금속 공정의 목적은 소자간의 연결 또는 전압인가, Contact 등을 위한 금속을 증착하는 공정이다. 반도체 소자의 성능을 높이기 위해서는 금속 공정이 필수적이다.
소자 간의 연결을 위해서는 금속 배선이 필요하며, 전압을 인가하거나 전류를 흘려주기 위해서도 금속 전극이 필요하다. 또한 반도체 소자와 외부 회로를 연결하기 위한 Contact 형성에도 금속 증착 공정이 활용된다.
따라서 금속 공정은 반도체 소자의 기능을 구현하고 성능을 향상시키는데 핵심적인 역할을 한다고 볼 수 있다.
1.4.2. 증착 금속의 특성
증착 금속의 특성은 다음과 같다"
소자간의 연결 또는 전압인가, Contact 등을 위해 증착되는 금속은 다음과 같은 특성을 가지고 있어야 한다. 첫째, 낮은 저항을 가져야 한다. 이를 통해 RC delay와 전력 및 전압소모를 줄일 수 있기 때문이다. 둘째, 식각 공정의 용이성이 중요하다. 소자가 작아질수록 식각 난이도가 상승하기 때문에 금속은 용이하게 식각될 수 있어야 한다. 셋째, 저온 공정이 가능해야 한다. 공정이 이루어질 때 금속 주변 소자 파괴가 일어나지 않도록 하기 위함이다. 넷째, 산화막과의 좋은 접착성을 가져야 한다. 이를 통해 소자의 신뢰성을 확보할 수 있다.
따라서 소자 제작을 위해서는 낮은 저항, 용이한 식각성, 저온 공정 가능성, 우수한 접착성 등의 특성을 지닌 금속이 사용되어야 한다.
1.4.3. 스퍼터링 공정
스퍼터링 공정은 금속 공정에서 중요한 부분을 차지한다. 스퍼터링 공정은 비활성 기체의 플라즈마를 이용하여 금속 타겟에서 금속 원자를 추출하고 이를 기판에 증착하는 방식이다. 이 공정은 낮은 압력에서 이루어지며, 금속 타겟에 높은 전압을 걸어 이온화된 비활성 기체와 충돌시켜 금속 원자를 추출한다.
스퍼터링 공정은 다음과 같은 특징을 가진다. 첫째, 낮은 압력에서 진행되므로 증착되는 막의 밀도가 높고 균일하다. 둘째, 비활성 기체의 종류 및 압력, 전압 등을 조절하여 증착 속도와 막의 특성을 제어할 수 있다. 셋째, 기판 온도에 크게 영향을 받지 않으므로 온도에 민감한 소자 제작에 적합하다. 넷째, 대면적 증착이 가능하여 대량 생산에 적합하다.
스퍼터링 공정은 주로 금속 박막 증착에 사용되며, 반도체 소자 제작 공정에서 배선 및 전극 형성, 배리어 층 형성 등에 활...
