반도체 공정은 크게 전공정과 후공정으로 나뉜다는 것을 다들 아실겁니다.
이번 챕터에서는 반도체 전공정에 대해서 다룰 예정이라 모든 단위 공정들을 다룰 겁니다.
제 Photolithography 챕터 글들이 이해가 되지 않으시는 분들은 이번 챕터를 눈여겨 봐주시면 이해하시는데 좋을거 같네요.
공정 관련 기초
-Clean Room : 공기 속에 존재하는 입자, 온도, 습도, 실내 공기압 등을 제어하는 밀폐된 공간
clean room에 대한 자세한 설명은 포토공정을 진행할때 자세하게 다뤘기 때문에 스킵 하겠습니다.
-Wafer
실제 공정이 이뤄지는 Si 반도체 판입니다. 실제 반도체에서 95%정도는 Si 기판을 사용합니다.
현재 Wafer의 크기는 점점 커지는 추세인데요. 직경이 증가하면 생산성(Throughput)이 향상되기 때문입니다.
수율(Yield)= <성공한 die 수/ 설계한 die 수>은 감소 합니다만 전체적인 얻어낼 수 있는 die 수는 증가합니다.
크기 뿐만 아니라 두께도 두꺼워지는데 6인치 wafer의 경우 675um, 12인치인 경우 775um의 두께를 가집니다.
2001년에 12인치 웨이퍼의 개발이 끝났기에 현재는 18인치 wafer를 개발중인고 일부는 개발 완료 됐으며 양산 전환을 검토중이라고 합니다.
그렇다면 wafer는 어떻게 제작할까요?
간단히 얘기하자면 먼저 Si을 포함하고 있는 물질들을(주로 모래) 모아서 Si을 정제시켜줍니다. 그러면 ingot이라는 순수한 Si 덩어리가 생성되는데 이 ingot을 슬라이스 해주면 wafer가 됩니다.
과정을 좀더 자세히 들여다 볼까요?
1)Crystal Growth
-우리가 일정한 single crystal 구조를 만들기 위해서 격자 생성을 하게 되는데 일반적으로는 녹여 냅니다.
2)Single Crystal Ingot
-single crystal 격자구조를 가지고 있는 물질들을 고체화 시켜서 ingot을 만듭니다.
Wafer crystal을 만드는 과정은 Czochraiski 방식과 Float zone 방식이 있습니다.
녹아있는 액상형태의 si을 잉곳 형태로 위로 뽑아내는 과정을 Czochraiski 방식이라고 하고 Poly si으로 대충 만들어 놓은 막대기를 코일 사이를 통과시키면서 single crystal si으로 만드는 과정을 Float zone 방식이라고 합니다.
-Cz방식은 녹아있는 si에 도핑을 진행할 수도 있습니다. 또한 Single Crystal Silicon Sead가 필요한데 액상 실리콘을 시계방향으로 돌린다고 하면 Sead는 반시계 방향으로 돌리며 위로 꺼내면 표면장력에 의해서 액상 Si이 Sead 위에 Film형태로 붙어서 식으며 점점 Single Crystal Si 잉곳이 생성됩니다.
일반적으로 저비용이고 직경이 큰 웨이퍼도 가능합니다. 또한 남은 Si을 재사용도 가능합니다.
-Float zone 방식은 poly Si 잉곳을 코일에 통과시키면서 정제시켜서 코일 아래에서 Single Crystal Si 잉곳이생성되는 방식입니다.
Si을 따로 담아 놓는 Crucible이 없기 때문에 pure한 si을 얻을 수 있다는 장점이 있어서 고비용, 작은직경임에도 불구하고 고순도의 Si이 필요한 power device 등에서 사용됩니다.
3) Crystal Trimming & Diameter Grind
-만들어낸 ingot에서 필요없는 끝부분을 잘라냅니다.
4) Flat Grinding
-나중에 만들어질 wafer 기판의 방향을 정해주기 위해서 Grinding이라고 하는 방법으로 flat zone이나 notch type을 잘라줍니다.
Wafer Timming이라는 wafer 끝부분을 잘라주는건 si의 방향성을 위해서 표시하는 것인데 si의 격자 구조에 따라서 100, 110,111 등의 격자 방향을 가지는데 이 격자 방향을 표시하기 위해서 일반적으로 한족을 잘라주는 Flat zone이나 약간 표시만 하는 notch type을 만들어 주는 겁니다.
Flat zone은 주로 6인치 이하 기판에서 많이 사용되고 notch type의 그 이상에서 진행합니다.
5) Wafer Slicing
-뒤에 후속공정이 있기에 웨이퍼를 실제 사용할 크기보다 약간 크게 잘라줍니다.
6) Edge Rounding
-기판의 Edge 부분을 갈아줍니다.
Wafer를 회전하는 cuter에 넣어서 wafer와 cuter를 둘다 회전시키면서 edge 부분을 둥글게 갈아주는데요 네모난 형태의 웨이퍼는 모서리에 응력이 작용해서 wafer 파손이 일어날 수 있고 열 응력에 대한 저항이 낮아지기에 갈아주는 겁니다.
갈아주고 나서 전체적인 청결도를 높여주고 파손확률도 완화시켜주기 위해서 갈아준 부분을 연마도 해줍니다.
7) Lapping
기판의 평탄도를 맞춰줍니다.
웨이퍼가 예쁘게 평평하게 짤린다는 보장이 없기에 진행합니다.
8) Wafer Etching
7번까지 진행된 과정에서 wafer에 생성된 damage가 너무 많기 때문에 damage를 완화시키기 위해서 일부러 wafer의 윗부분을 화학적으로 깎아 주는겁니다.
주로 수산화나트륨, 질산, 아세트산 등의 용액으로 습식 식각을 진행합니다.
9) Polishing
-기판의 표면 조도(거칠기)를 맞춰줍니다.
1단계로 wafer위 찌꺼기를 제거하고 2단계로 CMP(Chemicla Mechanical Polishing 공정을 진행해서 거울면 처럼 만들어주고 3단계로 마지막에 뿌연 산란 작용을 없애주기 위해서 찌꺼기 제거를 한번더 진행합니다.
그런다음 Back side도 브러쉬로 잘 cleaning해줍니다.
10) Wafer Inspection
-말 그대로 기판의 상태를 검사하는 최종 단계입니다.