본문내용
1. 반도체 공정 개요
1.1. 웨이퍼 제조
웨이퍼는 실리콘(Si), 갈륨 아세나이드(GaAs) 등을 성장시켜 만든 단결정 기둥을 적당한 두께로 얇게 자른 원판이다. 이 중에서도 실리콘(Si)을 주로 사용하는데, 그 이유는 실리콘이 자연계에서 흔하고 경제적이며 인체에 무해하기 때문이다.
실리콘 웨이퍼를 제조하는 과정은 다음과 같다. 먼저 폴리실리콘(Poly Silicon)이라는 실리콘 원료를 뜨거운 열로 녹여 고순도의 실리콘 용액을 만든다. 이를 초크랄스키(Czochralski, CZ) 방식으로 단결정 기둥인 잉곳(Ingot)으로 성장시킨다. 이때 반도체용 잉곳은 일반 실리콘 잉곳보다 훨씬 더 높은 순도를 가지고 있다.
다음으로 이 잉곳을 다이아몬드 톱을 이용해 균일한 두께로 얇게 자른다. 이렇게 잘린 웨이퍼는 표면에 흠결과 거칠기가 있기 때문에 연마(Polishing) 공정을 거쳐 매끄럽게 만든다. 이후 에칭(Etching) 공정을 통해 웨이퍼 표면의 물리적 가공 데미지를 제거한다. 마지막으로 급속 열처리(RTP)를 하여 웨이퍼 내부의 결함을 균일하게 만들고 금속 불순물을 억제한다. 이렇게 제조된 웨이퍼는 세부 형상과 평탄도 등을 검사하여 최종적으로 품질을 확인한다.
이처럼 단결정 실리콘 웨이퍼를 만드는 과정은 매우 까다롭고 정교한 기술이 필요하다. 특히 잉곳 성장 시 고온, 높은 진공 등의 엄격한 조건을 유지해야 하며, 웨이퍼 표면을 극도로 깨끗하고 균일하게 만들어야 한다. 이는 후속 공정에서 발생할 수 있는 문제를 사전에 방지하기 위함이다.
1.2. 산화막 형성 공정
웨이퍼 표면에 산화막을 형성하는 공정은 반도체 소자 제작에 있어 매우 중요한 역할을 한다. 산화막은 웨이퍼 표면을 외부 오염물질로부터 보호하고, 누설전류를 차단하며, 후속 공정에서 선택적 식각을 가능하게 하는 기능을 수행한다.
산화공정은 크게 습식산화와 건식산화로 구분된다. 습식산화는 산소와 수증기를 이용하여 산화막을 형성하는 방식이다. 수증기의 도움으로 인해 산화막 성장 속도가 빠르고 두꺼운 막을 얻을 수 있지만, 건식산화보다 산화막의 밀도가 낮다는 단점이 있다. 동일한 온도와 시간 조건에서 습식산화로 만들어진 산화막 두께는 건식산화보다 5~10배 정도 두껍다.
반면 건식산화는 순수한 산소만을 이용하여 산화막을 형성한다. 산화 속도가 상대적으로 느리지만, 산화막의 품질이 우수하다. 두께 조절이 용이하여 주로 얇은 산화막 형성에 사용된다. 건식산화막은 전기적 특성이 우수하다.
산화공정에서는 실리콘 웨이퍼 표면과 산화제가 화학반응하여 이산화규소(SiO2)막이 만들어진다. 습식산화의 경우 다음과 같은 반응식으로 진행된다:
Si(s) + 2H2O(g) → SiO2(s) + 2H2(g)
건식산화의 경우에는 다음과 같은 반응식으로 진행된다:
Si(s) + O2(g) → SiO2(s)
반응 속도 측면에서 습식산화가 빠르고, 밀도 측면에서 건식산화가 우수하다. 따라서 공정 목적에 따라 적절한 산화공정을 선택하여 사용한다.
산화막의 두께와 품질은 반도체 소자 성능에 직접적인 영향을 미치므로, 정밀한 공정 제어가 필요하다. 특히 최근 소자의 미세화가 진행됨에 따라 극박 산화막 형성이 요구되고 있어, 공정 변수 관리의 중요성이 더욱 커지고 있다.
1.3. 포토리소그래피 공정
포토리소그래피 공정은 반도체 제작에 있어서 매우 중요한 단계이다. 감광성 고분자 물질인 포토레지스트를 웨이퍼 위에 도포하고, 마스크를 통해 빛을 쪼여 회로 패턴을 형성하는 공정이다.
먼저 웨이퍼 표면에 산화막이 형성된 후, 포토레지스트를 도포하는 PR(Photoresist) 과정이 진행된다. 포토레지스트는 빛에 반응하는 감광성 고분자 물질로, 이를 웨이퍼 위에 매우 얇게 코팅한다. 이 때 스핀 코팅 방식을 사용하는데, 웨이퍼를 고속으로 회전시켜 포토레지스트를 퍼뜨리는 방식이다. 이후 포스트 어플라이 베이크 공정을 거쳐 용매를 증발시켜 포토레지스트를 안정화시킨다.
그 다음은 노광 공정이다. 마스크와 웨이퍼를 정렬(Align)시킨 후 빛을 쪼여 마스크 패턴을 웨이퍼에 전사한다. 노광 방식에 따라 콘택트 얼라이너, 프록시미티 얼라이너, 프로젝션 얼라이너 등으로 나뉜다. 콘택트 얼라이너는 마스크와 웨이퍼가 접촉하는 방식이고, 프록시미티 얼라이너는 일정 간격을 두고 비접촉으로 노광하며, 프로젝션 얼라이너는 렌즈를 통해 축소 투영하는 방식이다. 노광 공정에서는 정상파 효과로 인한 간섭 현상이 발생할 수 있으므로, PEB(Post Exposure Bake) 공정을 통해 이를 완화시킨다.
노광이 끝나면 ...
1
2
3
4
5
6
7
8
9