반도체에 관한 자격증이 뭐가 있을까요

 

반도체...

말로만 듣고 그리고 실제 전자 제품에 무수히 사용되는 반도체는 어떻게 만들어지는 걸까요?

반도체는 장치 산업 입니다.

다시말해서 반도체를 만들기위해서는 공정에 적합한 좋은 기계가 필요하다는 말이지요..

또 반도체는 첨단 산업인 동시에 원시 산업이기도 합니다.

제조 공정중 최첨단 설비가 사용되는 반면 기초 설비와 사람손이 많이 가는 공정도 있기 때문 입니다.

반도체는 기능을 수행하는 chip을 만드는것과(일명 fabrication 공정) 만들어진 chip을 손상가지않고 취급될수 있도록 포장하는(assembly) 공정으로 만들어 집니다.

다소 어려운 부분이 있지만 개략적인 제조공정을 소개 합니다.

궁금하신 부분이 있으면 메일이나 덧글 남겨 주세요..

 

WAFER 공정

Ingot Growing

CZ 성장법에 대한 SILICON 단결정 성장 공정

 

1. PREPARATION OF CHARGE

GROWER CHAMBER에 넣어서 단결정을 성장시킬 수 있는 원, 부재료를 준비하고 관리하는 작업을 말한다. 단결정을 성장시키는데 필요한 주원료는 POLY SILICON과 DOPANT이다.

POLY SILICON은 크게 CHUNK POLY(덩어리)[그림1]와 GRANULE POLY(알갱이)[그림2]를 사용하며, GRANULE POLY는 300mm 웨이퍼 제조시에는 필수적으로 쓰이는 원재료이다. DOPANT는 INGOT의 TYPE 즉 N-TYPE, P-TYPE을 결정지으며, 원료는 P-TYPE에는 BORON(붕소), N-TYPE에는 PHOSPHORUS(인), ANTIMONY등이 사용된다. 석영도가니(QUARTZ CRUCIBLE)내에 POLY SILICON을 쌓아 올리는 작업을 STACKING이라 하며, POLY SILICON이 완전히 용해(MELT DOWN)하는데 많은 시간이 소요된다. STACKING하는 방법은 먼저 석영도가니(QUARTZ CRUCIBLE)[그림3]에 DOPANT를 넣고, POLY SILICON의 가장 작은 조각을 석영도가니(QUARTZ CRUCIBLE) 중간에 위치하게하고,중간 정도의 크기를 맨윗 부분에 놓으며, STACKING이 끝난 후, 그 모양이 돔(DOME)형태가[그림4] 되어야 한다.

주의할 점은 STACKING시 청결해야 하며, 어떠한 불순물도 석영도가니(QUARTZ CRUCIBLE) 안에 들어가게 해서는 안된다. 또한 항상 CLEAN BENCH를 사용해야만 하며, 작업자는 필히 보안경과 비닐장갑등을 착용하여 오염을 방지해야 한다

2. MELTING

 

위에서 STACKING한 POLY SILICON이 완전히 녹아서 액체 상태가 되는 것을 말하며,[그림5은 녹고 있는 과정][그림6은 멜팅상태에서 그래뉼 폴리를 삽입 같이 멜팅하고 있는 모습] 이 공정에서는 PULLER(GROWER)내에 있는 ELECTRICAL HEATER(전기히터)로 석영도가니(QUARTZ CRUCIBLE)를 약 15000。C정도 높이게 된다. 석영도가니의 온도를 균일하게 유지시키기 위하여 CRUCIBLE을 회전시킨다. 이렇게 하여 완전히 녹은 POLY SILICON을 MELT라 부른다.

3. DIPPING

 

POLY SILICON이 완전히 녹은 MELT상태에서 종자(SEED)를 접촉시키는 작업을 말한다. [그림7]

SEED는 사각봉 형태인 단결정으로 만들어지며 직경은 약 1.2Cm 가량되고, 길이는 약 15Cm정도이다.

MELT에 SEED를 담그면, SEED주위에 밝은 환형이 나타나는데 이것을 MENISCUS라 부른다. 이 현상은 액체 상태의 SILICON과 고체상태의 SILICON SEED 사이 접촉면의 가장 자리 상태를 정확하게 파악하는데 도움을 주며, MENISCUS를 정확히 파악해야만 좋은 SINGLE CRYSTAL로 성장시킬 수 있다.

만일, MELT의 온도가 낮게 되면 MENISCUS가 부분적으로 발생하거나, SEED주위에 ICE(고체)가 발생하게 되어 올바른 INGOT으로 성장시킬 수 없다. 반대로 MELT의 온도가 아주 높으면 MENISCUS가 SEED의 직경보다 작아지거나 아예 없어지게 된다.

4. NECKING

 

DIPPING후 MENISCUS가 양호한 상태가 되었을때 NECKING을 시작한다.

NECKING[그림8]이란 SINGLE CRYSTAL에 결함이 발생하지 않도록 SEED를 따라 성장하는 CRYSTAL의 직경을 최대한 줄이면서 끌어올리는 작업을 말한다.

이 작업은 SINGLE CRYSTAL을 완전히 성장시킬 수 있는지를 판단 할 수 있는 중요한 작업으로, DIPPING한 SEED를 서서히 끌어 올리면 SINGLE CRYSTAL이 SEED의 결정 방향대로 달라 붙어서 올라오게 되는데, 이때 올리는 속도를 천천히 하면 직경이 크게되고 빨리하면 직경이 줄어들게 된다.

SEED를 끌어올릴때, 성장 하고있는 SINGLE CRYSTAL에는 길이 방향의 선이 나타나는데 이것을 RIDGE라고 부르며, 이 RIDGE에 의해 CRYSTAL의 방향이 결정된다. 즉 (100) CRYSTAL 또는 (111) CRYSTAL인지를 판별하게 된다. RIDGE가 3개이면 (111) CRYSTAL, 4개는 (100) CRYSTAL이다. (111) CRYSTAL에서 NECKING을 하면 어느 정도의 길이에서부터 옆으로 빗질한 것처럼 줄무늬가 생기는데 이것을 BRUSH LINE이라 하며, 이러한 현상을 통해서 좋은 CRYSTAL의 성장 가능성을 판단할 수가 있다. 훌륭한 NECKING은 무결점 크리스탈 (ZERO-DEFECT, ZERO-D)을 성장시킬 수 있는 가장 기본이 된다.

5. SHOULDERING

 

 NECKING공정이 끝나면 CRYSTAL을 목적하는 결정직경(DIAMETER)까지 확장 시켜야 하며, 이러한 작업은 SHOULDERING[그림9,그림10]이라 부른다. 이작업은 NECKING공정보다 인상속도를 줄여서 서서히 끌어올리게 되며, 액체 상태의 SILICON은 고체상태의 SILICON에 달라붙어서 고체화하는 속도가 빨라져서 직경이 커지게 된다.

6. body GROWTH

 

SHOULDERING 작업공정에서 목적하는 결정 직경만큼 커졌을때 그 결정을 그대로 계속하여 목적하는 길이 까지 유지하게 되며, 이러한 작업을 body GROWTH라 한다. [그림11.그림12] 이작업은 자동장치(AUTOMATIC DIAMETER CONTROL)에 의해서 CRYSTAL의 직경을 조절하게 되어있다. body GROWTH에서 주의해야 할 사항은 STRUCTURE LOSS이다. 이 STRUCTURE LOSS 는 RIDGE가 사라지는 지점에서 부터 STRUCTURE LOSS가 시작된다고 알려져 있다. STRUCTURE LOSS란 단결정(SINGLE CRYSTAL)이 잉곳(INGOT)이 되지 않거나 단결정이 되더라도 그 품질이 아주 나빠서 제품화 할 수 없는 부분을 말한다. 이렇게 STRUCTURE LOSS가 발생하는 주원인은 우선 GROWER CHAMBER내부의 CLEANING 상태가 불량했을 경우와 또는 POLYSILICON STACKING 과정에서 불량했다고 볼 수 있으며,그다음 STACKING과정에서 불순물이 첨가되는 경우등의 이유로 정상적인 CRYSTAL 성장시 결정성장이 제대로 진행할 수 없기 때문에 발생한다. 또한 GROWING도중 GROWER CHAMBER에 LEAK(누출)이 발생하여 생기기도 한다.

중요제어변수 : 인상속도, SEED회전수, CRUCIBLE 회전수 .

7. TAILING

body GROWTH를 진행할수록 CRUCIBLE 내부의 MELT가 점점 줄어 들게 되며, 나중에는 INGOT과 MELT를 분리시켜야 하며, 이작업을 TAILING이라 한다. TAILING 하는 방법은 body GROWTH의 직경을 점점 줄이면서 성장시키면 결국에는 MELT와 INGOT이 분리된다. TAILING의 실시 시점은 CRUCIBLE내에 MELT가 10-15%가량 남아 있을 때이다.

TAILING을 잘하게 되면 그만큼 INGOT의 LOSS(손실)가 줄어들며, 따라서 생산수율이 향상되기 때문에 중용 작업공정이라 할 수 있다. 만일 TAIL을 잘못 실시하면 갑자기 MELT와 INGOT이 분리하게 되는데 이러한 현상을 POP-OUT라 하여, 이것은 INGOT에 상당히 해를 입혀서 많은 STRUCTURE LOSS를 유발시키며, 생산 수율도 저하하게 되어 경제적 손실도 커지게 된다. 중요제어변수 : 최종 Tail 길이, 인상속도

8. COOL-DOWN

 

TAILING 완료후 성장시킨 INGOT과 CRUCIBLE을 냉각시키는 작업이며,[그림13] 대략 2시간 정도후에 INGOT과 CRUCIBLE을 GROWER CHAMBER에서 후에 제거하게 된다.

중요제어변수 : 냉각방법, 냉각시간, 결정의 냉각 위치

9. INGOT REMOVAL

 

 냉각이 끝난 INGOT은 CERAMIC가위로 NECKING한 부분을 짤라서 GROWER CHAMBER로 부터 제거하는 제거하는 작업으로, INGOT이 무겁기 때문에 CRYSTAL REMOVAL TOOL을 사용한다.

EVALUATION

단결정 성장이 끝난 INGOT은 전용 Cart로 이동하여 EVALUATION ROOM으로 옮겨진다. EVALUATION이란 INGOT의 품질을 평가하기 위하여 SAMPLE을 채취하는 공정이다. 먼저 INGOT [그림14.그림15]중에서 제품화 되지 않는 부분 TAIL, SHOULDER, SLIP등의 부분은 절단하고 산소, 비저항, 탄소농도 등을 측정하여 평가한다.

 

 DEVICE 공정

OXIDATION LAYERING

산화막은 표면위에 있는 얇은 일산화 혹은 이산화 실리콘(SiO2)층을 만드는

공정이다.

 

 1000°K에서 고순도의 산소와 수소의 혼합물에 웨이퍼를 노출 시켜서 산화막을 만드는데 이는 절연과 보호막을 만들어 트랜지스터의 게이트등을 만들 때 사용되고, 절연된 산화막은 일반적으로 약 1,500Å정도 이고 게이트층은 약 200~500Å의 두께로 쌓게 된다. 산화되는 물질은 실리콘과의 경계면에서 반응하여 SiO2를 형성하는데 화학반응식으로 표현하면,

Si + O2 → SiO2 Si

+ 2H2O → SiO2 +2H2

로 쓸 수 있다. 산소와 수증기를 이용한 SiO2 의 성장은 각각 건식 과 습식 산화로 분류되는데 건식 산화는 주로 더 우세한 Si-SiO2계면특성을 가지므로 MOSFET에서 게이트 산화와 같이 소자구조에서 중요한 절연영역을 형성하는데 사용한다.

PHOTORESIST COATING

PR(Photoresist)는 액체상태에서 빛에 민감한 재료이다.

 

 Spinner라는 회전을 하는 장치 위에 웨이퍼를 올려놓고 웨이퍼위에 PR을 떨어뜨리는데 위에 약 2~200Å의 두께로 층을 형성하기 위해서는 약 3000rpm의 속도로 회전시키면서 떨어뜨린다. 광막증착에는 Positive(양)와 Negative(부) 방식등이 있는데 Negatice Resist는 노출되지 않은 부분만 남겨놓고 PR을 제가하는 방법을 말하는데 약 2.0Å정도의 소자를 만들 때만 사용한다. 오늘날의 대부분의 반도체 제조공정에서는 Positive Resist 공정을 사용하는데 이는 Negative와는 반대로 노출된 부분이 제거된다. 약 1.0~0.152.0Å정도의 소자를 만드는데 사용된다.

 

  

PATTERN PREPARATION

반도체소자는 실리콘과 이산화실리콘, SiCl4 금속과 규소화합물 등의 약 50개의 개별층으로 구성된다.

각층의 모양은 'reticle'이라 불리우는 층을 가지고 있다. reticle은 실제 그들이 만들어지는 크기의 약 1~10배이다. 반도체소자의 모든 층을 구성하는 reticle의 그룹들은 Device series라고 불리운다. reticle의 표면을 깨끗하게 유지하기 위해 얇은 플라스틱 조각을 reticle의 표면위에 올려놓는데 이를 pellide라 부른다. 이는 웨이퍼가 직접적으로 세척될 때 크롬소자의 표면을 보호해준다.

뿐만아니라 노출되는 동안 reticle위에 있는 미세한 먼지를 어떠한 손실도 없이 제거해준다. 제조사들은 각층의 pattern을 CAD를 사용하여 디자인한다. reticle의 빈 곳에 크롬으로 코팅을 한 후 포토레지스트층을 적용한다. CAD에 의한 각각의 pattern은 레이저패턴발생기(laser pattern generator) 혹은 e-beam에 의해 reticle로 전사된다.

AS-CUT된 WAFER는 I.D SAW에 의한 절단의 경우 GRAPHITE BEAM POWDER COOLANT, EPOXY등이 잔존하고 WIRE SAW의 경우는 OIL, ABRASIVE, GRAPHITE Beam POWDER, EPOXY등이 WAFER표면에 잔존하게 된다. 다음 공정을 진행하기 위해서 WAFER표면에 잔존하는 물질을 깨끗이 세정하여야 한다.

Laser pattern generator

레이저 패턴발생기는 CAD의 패턴 스켓치의 정보를 인식하고 포토레지스트의 선택한 부분에 고밀도 UV(ultra-violet) light를 노출시키기 위해 셔터와 반사경을 조절하는데 조절하는데 렌즈와 광분리기, 컴퓨터 등을 사용합니다. UV(ultra-violet) light는 노출된 광막으로 하여금 산화시키는 역할을 하고 화학적변화를 일으킨다.

e-beam pattern generator

e-beam 패턴 발생기 또한 레이저 패턴 잘생기와 유사하게 CAD의 패턴 스켓치의 정보를 인식한 다음 노출된 광막의 화학적인 변화와 산화를 위해 e-beam을 사용한다. 그러나 광막에 노출시키는데 사용하는 셔터와 자기(magnets)와 렌즈의 초점과 틈(aperature)을 조절하개 위해 컴퓨터의 과정을 사용한다.

패턴을 그린 후에 노출된 산성의 포토레지스트는 기본 용액으로 제거된다. 단지 노출되었던 크롬충의 원하지않는 부분만을 남겨둔다. 이후에 크롬은 암모니아 질산염 용액으로 에칭된다. 남아있는 포토레지스트는 사가의 표면과 깨끗한 크롬을 남겨놓고 'ashing'이라는 과정을 통해 제거된다.

아래의 reticle mask는 전체 웨이퍼의 이미지를 표함하고 있다. 이러한 유형의 reticle은 1.5A이상의 소자에 사용된다. 좀더 작은 크기의 소자에는 오른쪽 reticle mask가 사용된다. 이는 웨이퍼의 표면 위에 단지 하나의 소자 이미지를 반복적으로 그린 것을 나타낸다.

 

STEPPER EXPOSURE

사실상 레이저패턴발생기와 e-beam패턴발생기는 실제로 웨이퍼의 원형을 그려내고 웨이퍼의 소자층을 노출시켜 원형 하나를 만드는데 사용된다.

 

이러한 공정은 일반적으로 'Stepper'라는 공정을 이용한다. stepper는 포토레지스트로 코팅된 웨이퍼에 하나의 소자층의 이미지를 가진 reticle을 통해 단파 UV light로 노출시킨다.

 

 UV light가 사용되는 것은 오늘날의 반도체 소자의 크기가 매우 작기 때문이다. 실제적으로 노출되는 빛의 파장은 제한적인 요소다. (UV light는 작은 크기의 소자를 만드는데 허용되는 가시광선보다 짧은 파장을 가지고 있다. (약 50nm)

 

 심지어 넓은 대역(혹은 다중파장)의 UV light 조차 약 2.0A이하의 소자를 만드는데 사용된다. 오늘날 반도체들은 약 25A만큼의 작은 크기이다. 이것은 단파 UV light의 사용을 요구한다. 전형적인 파장은 436nm(G-Line), 405nm(H-Line), 365nm(I-Line) 그리고 248nm(Deep-UV)를 사용한다. 최근의 제조업체에서는 훨씬 짧은 파장을 갖는 X-ray와 193nm UV를 가지고 실험을 하고 있으나 이는 실제 제조공정에서 작업자에게 위험하다.

 

DEVELOP & BAKE

노출공정 이후에 웨이퍼 위의 포토레지스트의 노출된 부분들은 산으로 혹은 기본 용액 등으로 제거된다. 노출된 광막이 제거된 후에 남아있는 광막을 굳히기 위해서 웨이퍼를 낮은 온도(80도~100도)에서 굽는다. 또한 높은 온도(800도~1200도)에서의 확산로는 재분포를 위해 사용됩니다. 확산이라는 것은 웨이퍼의 표면에 도펀트 층을 적용하는 것을 말한다.

 

 

Si 웨이퍼 반도체 결정은 요구되는 불순물을 지닌 고체, 액체 그리고 기체소스에 노출되게 된다. 웨이퍼 표면에서의 반응은 즉시 반도체결정 옆으로 도펀트원자들을 제공하게 된다. 상승된 온도에서 원자는 산화물에 의해 보호되지 않는 반도체의 다른 영역으로 천천히 확산된다. 확산은 물순물 원자의 농도가 결정안에서보다 결정바깥에서 더 크기때문에 발생되는 것이다.(농도의 차이에 의해서) 이 방법에 의해서 만들어지는 표면도핑농도는 아주 높으며 (10~20/cm3 까지 이름) 확산하는 원자들과 관련하여 이 표면영역은 n형이나 p형의 성격을 지니게 된다. 이는 비록 보통의 도펀트보다 느리기는 하지만 SiO2내로도 확산이 일어나기는 한다는 것이다. 이는 SiO2층이 그 아래의 Si층을 제한된 시간동안에만 보호할 수 있다는 것을 의미한다. 주어진 도펀트에 있어서 보호될 수 있는 시간은 산화물의 두께, 확산속도 그리고 굴림의 도핑에 의존적이다.

ACID ETCH

웨이퍼의 표면으로 부터 선택한 부분의 물질을 제거하는 작업은 많은 다른 유형의 산 혹은 부식용액을 사용하게 된다.

 

이는 HPM의 천연재료가 작업자에게 매우 위험하기 때문이다, SiO2를 제거하는데는 NH3F로 완충된(buffered) 불화수소산으로 준비되는 BOE 혹은 산화물 에칭으로 이루어지고, SiNa층은 인산으로, 금속을 에칭할 때는 질산으로, 포토레지스트를 제거할 때는 황산등으로 사용한다. 오늘날 대부분의 반도체 공정에서는 이러한 부식공정에서 자동화된 공정을 사용하는데 이는 개인적인 안전을 개선시킬 뿐만 아니라 정확한 침전시간에 대한 장점과 수작업으로 인한 웨이퍼의 손실을 최대한 보장해 주기 위해서다.

 

 

실제 실험에서 황산과 불산을 다루는 일은 매우 위험함으로 항상 산중화제를 곁에 두고 작업해야 하며 고무장갑과 마스크, 그리고 불필요한 물건을 치워두는등 주변을 정리하고 작업을 해야한다..

SPIN RINSE DRY

Spin Rinse Dry

웨이퍼의 표면을 손실과 오염으로 부터 보호하는 것은 웨이퍼 제조기술의 주된 관심사다. 실험후 시료가 오염되면 재작업을 해야 한다.. 실리콘은 기본적으로 깨지기쉬운 유리이다. 더우기 최근의 반도체 소자들은 아주 작은 조각의 먼지나 모래 알갱이에도 회로가 손상될 수 있는데 이러한 것을 방지하며 반도체를 만들기 위해서는 항상  Clean room에서 이루어지고 있고, 작업자들 또한 공기중에 있을 불순물을 막기 위해 특별한 방진복'(bunny)'과 마스크 장갑등을 착용한다.

 

웨이퍼를 이동시킬때는 단지 사람이 직접 웨이퍼를 이동시켜야 할 때를 제외하곤 가능하면 언제나 자동화시스템을 사용해야 한다. 그리고 모든 이러한 준비에도 불구하고 웨이퍼는 꾸준히 세척되어야 하는데 이것은 매우 중요하고 반복적인 작업이기 때문에 SRD(Spin:회전, Rinse:행굼, Dry:건조) 공정이 들어가는 것이다. 이 공정에서는 RO/DI water로 세척해주고 UHP(Ultra high pure) 질소로 건조시켜 주는 공정이다.

 

 ION IMPLANT

이온 투입법은 웨이퍼의 표면위에 새로운 층을 형성하지 않는다는 점에서 다른 반도체 공정들과 구분이 된다. 이에 대신해서 이온투입법은 웨이퍼의 표면위의 세밀한 부분에 전기적 특성을 변화시키는데, 이온 투입법은 고전류 가속관과

특별한 도펀트로서의 이온웨이퍼의 표면위에 쏘아주기 위해 자기 노리개와 방향타를 사용합니다.

 

가전자대 혹은 p-type의 소자를 만들기 위해 B, Ga, In과 같은 업셉터 이온을 주입하는데 반면에 전도대와 n-type의 소자를 만들기 위해서는 Sb, As, P, Bi와 같은 불순물을 주입하기도 한다. 주입기는 일반적으로 3mA 이상의 전류를 갖는 고전류(High Implant)와 그 이하의 중전류(Midium Implant)로 구분됩니다.

 

 

이온 주입은 여러 가지 방법으로 도펀트와 다른 원자들을 반도체의 표면 가까이의 영역으로 투입시키는 것을 말하는데, 더 얇은(Shallow)접합, 더 낮은 프로세싱 온도, 그리고 더 정확한 조절등이 필요한 곳에 사용되고 있다. 더우기 이온주입과정은 불순물이온의 생성, 5eV에서 1MeV의 높은 에너지로의 가속, 그리고 반도체 속으로 불순물등의 투입등의 프로세스로 이루어지고 있다. 주입된 이온들은 경로를 따라 결정속으로 들어가 반도체의 원자를 교체하는데 투입된 이온들이 격자쪽 위에 안정되는 것은 아니기 때문에 어닐링(가열)을 통해 안정화시켜 주어야 한다.

 

이온주입시스템의 도식화

간결화된 이온주입시스템의 모형도는 위 그림과 같은데 바람직한 불순물이 이온들은 그림에서 맨 끝에 보여지는 이온 소스에서 생산된다. 이온빔은 미리 맞추어진 동작전위로 가속되고 초덤이 맞추어져 최종적으로는 웨이퍼의 표면위로 주사된다. 주사는 웨이퍼를 기계적으로 움직이거나, 정전계적으로 혹은 두 가지 방법의 조합으로 이루어 지는데 웨이퍼로의 전기적인 접촉은 주입된 이온을 중화하기 위한 전자의 흐름을 허용한다

 

 

CHEMICAL VAPOR DEPOSITION

화학 기상증착법(CVD)는 웨이퍼위에 막을 형성하는데 화학적 반응을 조절하여 사용하는 넓은 과정중에 하나이다. 일반적으로 증착되기 전에 웨이퍼는 SF6 혹은 F8CH4와 산소의 혼합물을 사용하는 드라이 플라즈마 에칭에서 세척을 한다. 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. 개선된 플라즈마 혹은 RECVD라고 불리우는 CVD의 변형은 필름의 침전물과 화학적 반응을 얻는데 요구되는 온도로 낮추기 위해 가스 플라즈마를 사용한다. CVD챔버를 세척하는데는 일반적으로 NF3플라즈마를 사용하든데 여기서 묘사된 CVD는 'Cluster Tool'이라 불리우는 특별한 종류의 다중 체계 CVD이다. 연속적인(in-situ)공정을 할 수 있다는 의미이다. CVD 반응기는 여러가지 모양과 구조를 가지고 있는데 AP/ LPCVD 증착에 사용되는 구조가 아래 그림에 있다. CVD 프로세스는 보통 마스크와 복잡한 IC의 금속간 유전체박막을 만드는데 사용되어왔는데, 과도하게 도핑될 경우 준금속적인 성질을 지니는 다결정질 Si도 APCVD와 LPCVD를 사용하여 증착한다. APCVD, LPCVD 그리고 PECVD등 다양한 종류의 CVD등이 모두 IC 제조공정에서 전형적으로 사용되고 있다다

 

 

COPPER DEPOSITION

일반적으로 반도체에서 사용되는 전극재료로는 알루미늄, 금, 텅스텐이 있다. 하지만 주로 쓰여온 재료는 구리(Cu)이다. 구리는 알루미늄보다 40%나 전기 전도도가 높아서 프로세서의 속도를 15%가량 높여줄 수 있다. 또한 높은 전류밀도를 갖는 초미세소자에서 알루미늄이 높은 전류가 흐름에 따라 각 각의 원자를 이동시키는 전자이주(electromigration)를 일으켜 결국에는 연결을 끊는 현상을 보이는데 구리는 이러한 현상이 적게 나타난다. 그럼 이렇게 좋은 구리를 지금까지 사용하지 않고 알루미늄을 썼을까?..구리는 오랫동안 반도체에는 좋지 않은 것을 생각되어져 왔다. 왜냐하면 구리가 실로콘으로 확산되어 들어가 실리콘의 전기적 특성을 변화시켜 결국에는 트랜지스터의 고장을 초래하기 때문이다.

 

 한편 IBM에서는 'Damascene'이라는 패터닝 기술을 통해 마침내 이러한 장애를 극복했다..

METAL DEPOSITION

알루미늄이나 금 혹은 텅스텐 등의 금속은 소자에 전도층을 형성하는데 사용된다. 일반적으로 금속은 이베포레이션(Evaporation:증류)과 스퍼터링(Sputtering)등의 두 가지의 다른 방법으로 주입되는데, 이것들은 박막 증착법의 범주에 속하는 것들다.

박막 증착법

외부로 부터 소자 구조를 연결시키기 위해서는 금속층의 증착과 패터닝이 요구되는데, 복잡한 IC는 전기적으로 고립된 3개 때로는 4개의 금속화된 층을 가지고 있다. 금속층의 성장시 유전층과 점착성이 좋아야 한다. 박막은 물질의 상호 확산을 막고 오염으로 부터 회로나 소자를 보호하기 위해 증착되게 된다.

 

이베포레이션(Evaporation)

이베포레이션은 금속재료를 증착시키기 위해 고진공(5x10-5 ~ 1x10-7torr)에서 전자빔이나 전기 필라멘트를 이용해 보트를 가열하여 보트위에 금속을 녹여 증류시키는 것이다. 이때 증류된 금속은 차가운 웨이퍼 표면위로 응축된다.

그림에서와 같이 금속은 저항 가열 소스 홀더(보트)위에 놓여지게 되는데, 증착되는 부분은 이 보트의 위치에 맞게 정해지게 된다. 챔버내에 진공을 만들고 원하는 진공상태에서 보트에 전원이 공급되면 금속이 증발하게되는 원리이다.

 

스퍼터링(Sputtering)

스퍼터링에서는 이온을 생성하기 위해 플라즈마를 사용하는데, 플라즈마 내에서 생성된 이온들로 하여금 웨이퍼에 달라붙게 하는 것이다

우선 플라즈마를 생성하기 위해 아르곤(Ar)가스 분위기에서 캐소드 쉴드를 사용한다. 소스 물질과 기판은 그림에서와 같이 고전압 전원에 연결된 반대편의 평행판 위에 놓여지게 되는데 증착되는 과정은 먼저 챔버를 진공으로 만든 다음 낮은 압력의 스퍼터링 기체, 보통 아르곤을 챔버내로 흘려주게 된다. 전극에 전압을 가해주게 되면 아르곤기체(Ar+)를 이온화하게 되고 플레이트 간에 플라즈마가 발생합니다. 소스 물질로 덮여있는 플레이트는 기판에 비해 음전위로 유지되므로 아르곤 이온은 소스물질이 덮여있는 플레이트로 가속되게 되는데 아르곤 이온의 충격으로 소스원자와 분자들은 플레이트로 부터 방출되어 웨이퍼로 날아가 증착이 되는 원리이다.

 

DC 스퍼터링의 도식.

 

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교과서적인 얘기가 되버렸지만 좀더 자세한 메카니즘을 설명은 나중으로 미루겠습니다. 금속증착에는 DC전원을 절연체의 증착에는 RF를 사용한다고 하는데 금속 증착시에도 RF스퍼터링을 합니다.

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METAL ETCH

 금속에칭은 소자의 전도회로의 길을 남겨놓기 위해 선택적으로 알루미늄층을 제거한다. 이 과정은 노출된 포토레지스트의 패턴에 남겨진 금속을 정교하게 제거해야만 한다. 동시에 남아있는 회로의 면들이 잘라내지는 것을 피해야 한다.

 

웨이퍼는 에칭과정의 틀안에 놓여진 후에 음전하가 가해진다. 틀은 200도(100도)까지 가열된 후 10[militorr]의 진공 상태가 된다. 그후에 양으로 전위된 플라즈마(일반적으로 질소와 HCl과 BCl3를 섞은)로 채워지게된다. 상반된 전기적 전하는 플라즈마 용융체를 빠르게 수평적으로 퍼지도록 해주며, 노출된 알루미늄을 제거함과 동시에 미세한 화학적 물리적인 "Sandblasting(모래를 뿜어내는)" 반응을 형성한다.

 

이러한 금속 에칭공정과 가열장치는 HPM 가스공정과 UHP(non-HPM) 가스공정을 포함하고 있다.

ASHING

실리콘 위에 금 혹은 SiCl, 염화규소층이 생성된 후에 남아있는 포토레지스트를 제거하는데 이는 'ashing'이라는 공정을 통해 이루어진다.

 

 

소자층에 흠을 내지 않고 포토레지스트를 제거하는데 고온의 플라즈마가 사용된다. 이는 산소플라즈마 체계에서의 레지스트를 산화(태우는)시킴으로써 레지스트를 부풀리거나 들어올리는 화학적 작용에 의해서 이루어집니다. 

PROBE TEST & DIE CUT

반도체의 표면위에 보호막을 씌운후에 웨이퍼는 후면준비(backside preparation)이라는 공정을 거치는데 이는 얇은 웨이퍼로 하여금 열의 확산을 도와주고 손상을 야기시킬수 있는 작은 조각들을 제거해 주는 공정이다.

 

각 각의 과정이 끝난 웨이퍼는 수백개의 실제적인 소자 혹은 다이(die)를 갖게 되된다. 이러한 웨이퍼는 각 각의 칩(chip)으로 잘려지기 전에 웨이퍼 위의 각 소자들을 테스트해야 하는데 탐침(probe) tester는 바늘모양으로 생긴 팁을 사용하고 각 소자(회로의 연결부분) 위의 결합패드와의 접촉에서 동작을 확인하게 된다. 테스트 결과 결함이 있는 소자는 염색하여 색으로 표시(Dot)해서 구별하기 쉽게 하고 더 이상의 과정에 포함하지 않도록 한다.

탐침 검사후에 웨이퍼는 각각 사각의 다이(die)로 잘려지게되며  'wire bonding'과정으로 보내어 지게 됩니다. 제품을 만드는 가공성의 효과는 전체 웨이퍼위에 다이가 얼마나 동작하는지에 대한 비율(wafer yield)로 결정이 된다..

 

ASSEMBLY 공정 중 Front 공정

 

Die Attach(Die Bonding)

개별화된 chip 은 Lead Frame 이라는 금속에 붙여지게 되는데 열압착방식(Eutetic)

과 Ag Epoxy 또는 Solder 를 이용한다.

WIRE BONDING

Die Bonding 이 완료된 Lead Frame 은 Wire Bonding 공정으로 이동해  금(Au) 혹은 알루미늄(Al)선으로 연결된다.

 

 이때 선의 굵기는 0.8mil ~10mil (1mil -> 1/1000 inch) 이며 자동화 작업으로 이루어 진다. 

 

PACKAGING (Molding)

Wire bonding이 끝난 이후에 소자에 세라믹 혹은 플라스틱(특수 Molding용 수지)으로 봉인하는 공정을 패키징 이라고 하며 일반적으로 Molding 이라고 부른다.

 이렇게 함으로써 하나의 소자 특성을 갖는 칩이 완성되게 되게 된다.

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주요 반도체 관련 회사 : wafer 제조/chip 제조(fabrication)/조립(assembly)/

fab + assembly/Lead Frame 제조/EMC(몰드수지)/공정별 제조 설비 및 원부자재 etc..

 

Assembly 공정중 Front공정까지 소개 했습니다.

추후 Backend 공정도 소개 하겠습니다.

 

-섬과바다-

반도체설계기사

	수행직무
	회로설계기술, 회로설계소프트웨어활용, 반도체제조를 위한 데이터 생성 등 반도체 설계 업무를 수행
	취득방법
	① 시 행 처 : 한국산업인력공단 ② 시험과목 - 필기 1. 반도체공학 2. 전자회로 3. 논리회로 4. 집적회로설계이론 5. 하드웨어기술언어 - 실기 : 반도체설계 실무 ③ 검정방법 - 필기 : 객관식 4지 택일형, 과목당 20문항(과목당 30분) - 실기 : 작업형(3시간 정도) ④ 합격기준 - 필기 : 100점을 만점으로 하여 과목당 40점 이상, 전과목 평균 60점 이상 - 실기 : 100점을 만점으로 하여 60점 이상
	출제경향
	반도체설계에 대한 공학적 기술이론 지식을 가지고 설계, 분석 등의 기술업무를 수행할 수 있는 능력의 유무
	진로 및 전망
	- 관련직업 : 반도체설계기술자
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	한국산업인력공단
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