[물리전자] Device Fabrication Technology. 소자 제조 기술

핵심 Keyword : Lithography, Etching, Ion implantation, diffusion, depositing thin films,

Metal interconnection, testing, assembly, Qualification

 

1. 서론

평면 기술(Planar Technology)

(a) 실리콘 산화 , (b) 선택적 산화물 제거, (c) 도펀트 원자 주입, (d) 실리콘 내부로 도펀트 원자 확산

 

웨이퍼 기판 위에 단계적으로 층층이 회로를 만드는 방법이다. 

장점 : 가각의 제조 단계가 전체 실리콘 웨이퍼에 적용. 따라서 복잡한 IC 만들기 위해서 높은 정밀도로 많은 소자들을 만들어 서로 연결하는것이 가능하며 많은 IC칩들을 웨이퍼 위에 같은 시간에 제조할 수 있다. 소자와 금속 연결선 크기를 줄여 웨이퍼당 더 많은 칩과 더 낮은 비용을 가져온다.

 

현대식 소자 공정 기술중 가장 두드러진 진전을 이룩한 분야는 리소그래피(lithography)와 상호 연결 기술 분야이다. IC 제조비용 중 가장 큰 몫을 담당하는 것 또한 이 두 영역이다.

 

2. 실리콘 산화

IC 제조 과정에서 정밀한 두께로 제어해야 하는 SiO2층은 높은 온도에서 Si를 산소 가스 혹은 수증기와 작용시켜 제조한다.

$$Si + O_2 → SiO_2$$

$$Si + 2H_2O → SiO_2 + 2H_2$$

산소를 쓰는것을 건식 산화(dry oxidation)이라 하고, 수증기를 쓰는 아래의 것을 습식 산화(wet oxidation)이라 한다.

건식 산화는 얇은 산화물 막을 형성하기 위해 쓰고, 습식 산화는 보다 빠른 비율로 진행되어 두꺼운 산화물을 형성할 때 선호한다. 

furnace에 대한 간단한 스케치이다. 700-1200도의 산화 온도는 전기저항 열선(Resistance-heated furnace)에 의해 만들어진다. 이 furnace의 중앙 관은 보통 투명한 융합된 석영(fused quartz)로 만든다. 

산화시키려는 Si Wafer를 Quartz tube 위에 올린 후 furnace의 가운데로 민다. 건식 산화의 경우 산소가 관으로 공급되고, 습식 산화의 경우 캐리어 가스(Ar이나 N2)를 가열된 플라스크 안의 물을 통과시켜 거품을 일으켜 보내거나 관의 입력에 H2O를 형성하기 위해 O2와 H2를 연소시킴으로써 실행된다. 

이에 성장된 산화물 두께는 furnace의 온도, 산화 시간, ambient gas, Si표면의 결정 방향에 의존한다.

대표적 건식 및 습식 산화의 성장 곡선이 위 그림이다.  IC생산에 사용되는 wafer는 주로 (100)면으로 잘린 것이며 그 이유는 (100)이 다른 면에 비해 불포화된 bonding의 농도가 낮고 그에 따라 경계면에 있는 trap 농도가 낮기 때문이다. 

또한 전자의 표면 이동도도 높다.

 

예제 3-1 : 

(a) 1000도에서 건식으로 0.1um 산화물을 성장시키는데 걸리는 시간

→ 위 그림 참조, 대략 2.5시간 걸림.

(b) (a)단계 이후 추가로 900도에서 습식으로 0.2um 산화물을 성장시켜 총 산화물 두께가 0.3um가 되려면 얼마나 걸리는가?

→ 900도 습식에서 0.1um 산화물을 성장시키는데에 0.7시간이 걸리고, 0.3um 성장시키는데에는 2.4시간이 걸린다. 따라서 습식에서 0.2um를 성장시키려면 2.4-0.7 = 1.7 시간이 걸린다.

 

3. 리소그래피(Lithography)

: 도펀트 원자가 주입될 영역에 있는 산화물을 선택적으로 제거하는 기술.

리소그래피 공정의 단계는 위 그림으로 설명할 수 있다.

맨 처음(a)에 웨이퍼 윗면은 포토레지스트(Photoresist)라 불리는 자외선(UV)감광 재료로 코팅된다. 액체 포토레지스트가 웨이퍼 위에 떨어지고, 웨이퍼는 얇고 균일한 코팅을 만들기 위해 고속으로 회전한다. 고속 회전 후 레지스트에서 용매를 몰아내기 위해 약 90도씨에서 짧은 시간동안 굽는다.

그 다음(b)에는 UV광을 이용하여 Photomask와 고정밀 축소 렌즈 시스템을 통해 레지스트를 감광시킨다. 

광 마스크(Photomask) : 생산될 패턴이 들어있는 석영 재질 광 판 유리.

포토레지스트 영역이 빛에 감강되면 사용된 레지스트 타입에 따라 서로 다른 화학 작용을 받게 된다.

네거티브 레지스트(Negative Resist), 그림 (c),오른쪽: 빛에 감광된 영역은 폴리머가 되고 용매에 녹이기 어렵게 됨.

포지티브 레지스트(Positive Resist), 그림 (c),왼쪽: 노광된 영역이 선택적으로 제거될 수 있도록 한다.

 

(a)-(c)까지의 공정과정을 거치면 리소그래피 전 공정이 완성된다.

(d)단계는 산화물을 제거하는 단계이다. 포토레지스트는 resist strip이라 불리는 단계에서 제거된다. 이 단계에서는 화학적 용해에 의해 이루어지거나 asher라 하는 산소 플라즈마나 UV 오존 시스템 속에서 레지스트를 산화하거나 연소시킴으로써 달성된다.

 

리소그래피 해상도 :  kλ

(k : constant depends on the lens system and the photomask technology

λ : wavelength)

최고의 광 해상도를 얻기 위해 약 10㎤에 해당하는 웨이퍼의 작은 영역만이 (b)단계때 노출된다. 이 영역을 lithography field라고 하는데, 수 개에서 수십 개의 IC 칩을 포함할 수도 있다. 이 노광 단계는 웨이퍼 상의 이웃하는 영역에 대해 반복되고, 전체 웨이퍼가 노광될 때까지 웨이퍼를 이동시키며 다른 영역들을 노광시킨다. 이러한 이유로 step and repeat 작동을 하는 리소그래피 장비를 stepper라고 한다.

Lithography는 모든 IC 제조단계들 중에서 가장 어렵고 고가인 공정이다. 

3-1. 습식 리소그래피, Wet lithography

193nm보다 더 짧은 파장에서는 렌즈와 마스크를 제작할 적절한 물질을 찾기 어렵기 때문에, 이런 짧은 파장을 사용하지 않으면서도 더 낳은 리소그래피 해상도를 얻기 위한 기술이다.

그림 (b)와 같이 물섹이 시스템을 잠가 만약 대물렌즈와 아래의 노광대기중인 웨이퍼 사이가 물로 채워지면 이것을 습식 리소그래피의 근본 형태로 본다. 빛이 물로 들어가면 빛의 파장이 물의 굴절률인 1.43배만큼 축소되고, 해상도는 향상된다. 물보다 더 큰 굴절률을 갖는 액체를 사용하면 해상도는 더욱 더 향상될 수 있다.

 

3-2. 전자 리소그래피. Electron lithography

전자 리소그래피는 광학 리소그래피보다 해상도가 더 좋아 리소그래피의 대안이 될 수 있다. 초점이 맞춰진 전자의 흐름이 전자 레지스트를 감광시키기 위한 에너지를 공급한다. 

 

3-3. 나노임프린트. Nanoimprint

미세 패턴을 만드는데 전자 리소그래피를 사용하고, 그 패턴은 스탬프(stamp)를 만들기 위해 적정 물질로 전사된다. 이 스탬프는 미세 패턴의 자국(imprint)를 만들기 위해 웨이퍼 표면 위에 부드러운 코팅에 압착된다.

 

4. 패턴 전사-에칭. Pattern transfer-etching

습식 에칭: SiO2 를 HF로 제거. 보통 등방성(isotropic)(방향에 선호성이 없음), 레지스트 패턴 크기보다 에칭된 모양이 일반적으로 더 크다.

 

건식 에칭 : 위의 단점을 극복. 이방성(anisotropic), 플라즈마 에칭 or RIE(reactive-ion etching). 

 

5. 도핑

: 실리콘에서 도펀트 원자들의 농도 분포도는 일반적으로 두 단계로 결정된다.

1) Predeposition : 도펀트 원자들이 이온 주입(ion implantation), 가스-소오스 도핑(gas-source doping), 혹은 고체-소오스 도핑(solid source doping)에 의해 웨이퍼 표면 혹은 근처에 위치하게 된다.

2) Drive-in : 그 도펀트 원자들을 실리콘 기판 속으로 더 깊이 이동시키는 과정

 

* Ion implantation

정밀한 조절이 가능하기 때문에 가장 중요한 도핑방법. 불순물을 반도체 속으로 주입하기 위해 먼저 불순물의 이온을 만들고, 그 이온을 킬로(kilo)eV 이하부터 메가(mega)eV에 걸쳐있는 높은 에너지로 가속시키고, 그 후 그 이온을 반도체 표면에 글자 그대로 발사함으로써 불순물을 반도체 속으로 주입시킨다. (아래 3-10 그림 참조)

 

주입된 이온은 결정 속에 들어가 반도체 원자들 대신 들어서게 되는데, 이온들은 격자 자리 위치에 정확히 멈춰 서지 않는다. 따라서 후속의 웨이퍼 anneal(heating)공정이 손상을 제거하고 도펀트 활성화(dopant activation)을 위해 필요한데, 그 결과로 주입된 불순물은 도너와 억셉터로 동작한다.

위 그림은 이온 주입 시스템의 간략한 개략도이다. 불순물 이온은 맨 왼쪽의 이온 소오스(Ion source)에서 만들어진다. 그 다음 이온은 질량 분석기 속으로 가속되어 거기에서 원하는 이온들만 이온 선택 구멍(Ion selection aperture)의 틈새를 통해 통과된다. 그 결과로 나온 이온 빔은 그 다음 임플란테이션(implantation)에너지로 가속되고, 마지막으로 인치-크기의 이온 빔은 큰 금속판에 붙박인 웨이퍼의 표면 위에 주사된다. 주입 시간 동안의 빔 전류를 간단히 적분해서 제곱센티미터당 주입된 이온의 총 수(Implantation dose, Ni)를 매우 정확히 결정할 수 있다. 

6. 도펀트 확산. Dopant diffusion

Implantation 혹은 기체 증착에 의해 도펀트가 주입된 이후, 이 도펀트를 실리콘 속으로 더 깊숙이 밀어 넣는 것을 원할 수 있다. 이것은 확산(diffusion)에 의해 이루어진다. 도펀트 불순물은 고온에서 시간이 흐르면 확산한다. 공정동안 발생하는 과잉 확산은 바람직하지 않은 부가 효과이기 때문에 확산을 엄격하게 조절하는것이 중요하다.