[반도체공정] 공정과정 정리(Cleaning, 산화, 사진, 식각, 박막 증착, 금속, 이온주입)

 본 포스팅은 과제로 작성했던 내용이며(후기 및 참고문헌은 삭제), 수정 및 배포는 자유입니다. 하지만 과제로 그대로 제출하는것은 불허하오니, 그 과정에대한 내용을 본인이 알고있는 내용을 더 추가해서 제출하시는 것은 상관이 없습니다.(스스로 한 번 보신 후 사용을 해주세요)

 밤 늦은 과제 작성으로인해 혹여나 잘못된 내용이 있을 수 있으며, 블로그로 복붙과정에서 사진은 일일이 편집기로 집어넣어야해서 사진의 순서가 One Figure 정도 차이가 날 수도 있습니다. 

 그 내용에 대해서 수정해야할 또는 추가해 주실 내용에 대해서는 댓글을 달아주시면 수정하겠습니다. 감사합니다.

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반도체 공정 과정

I.    목적

본 보고서는 실제 공정 실습을 하면서 경험하였던 각 공정과정의 사진을 토대로 집적회로 시간에 배웠던 공정 과정 이론과 매칭하고, 나아가 조금 더 심화 적인 내용을 포함하여 반도체 공정 과정을 정리해 보면서 반도체 공정 일련의 과정을 다시 한 번 정리하고 익히는 것을 목적으로 한다.

II.    공정 과정

①  Wafer Cleaning

 일반적으로 놓아둔 Si Wafer는 공기중의 산소와 반응하여 얇은 산화막을 형성 하기도하고, 먼지 같은 이물질이 붙어있을 수도 있기 때문에 Cleaning 과정을 통해서 제거한다.

Figure 1 Wet Station(1)

 

 우선 <Figure 1>의 Wet Station의 구조에 대해 살펴보면 다음과 같다. 각각의 Cleaning 과정별 필요한 용액들은 위쪽의 Bath에서 공급이 되고 있으며, 아래쪽 Bath 들은 DI Water가 공급된다. Cleaning 과정별로 위쪽과 아래쪽을 오가며 Cleaning 과정을 진행한다.

<Figure 1>의Wet Station에서 가장 왼쪽을 보면 SPM(Sulfuric acid hydrogen Peroxide Mixture solution) Cleaning이라 붙어있는 것을 볼 수 있다. SPM Cleaning은 유기물과 금속 이물질들을 제거하는데 사용되며 피라냐(Piranha) 과정이라고 부르기도 한다. <Figure 2>는 SPM Cleaning을 진행하고 있는 모습을 살펴 볼 수 있다. Bath의 뚜껑을 열고 Wafer를 넣어 Cleaning 하고 있는 모습이다. SPM Cleaning의 과정은 <Figure 3>의 순서로 진행이 된다.

Figure 2 SPM Cleaning

 

Figure 3 SPM Cleaning 과정

Figure 4 Wet Station(2)

다음은 <Figure 4>를 통해 APM(Ammonia / hydrogen Peroxide / water Mixture solution) Cleaning(SC-1) 과 HPM(Hydrochloric acid/ hydrogen Peroxide / water Mixture solution) Cleaning(SC-2)을 할 수 있는 Bath들을 확인 할 수 있다. APM Cleaning은 먼지 즉 particles의 제거와 유기물을 제거할 때 사용한다. 진행 과정은 <Figure 5>와 같다.

Figure 5 APM Cleaning

 HPM Cleaning은 금속 물질을 제거하는데 사용되며, <Figure 6>와 같은 진행과정을 거친다.

각각의 Cleaning 과정을 보면 모두 HF 과정과 Spin dry 과정을 거치는 것을 볼 수 있다. 만약 모든 Cleaning 과정을 진행한다면, HF과정과 Spin dry 과정은 마지막에 한 번만 진행을 해도 상관이 없다.

모든 과정에서 볼 수 있는 Spin dry 과정의 경우에는 <Figure 7>과 같은 Spin기에 Wafer를 집어넣어 Spin을 시켜 물기를 제거해준다.(Figure 7에서는 1798 RPM으로 Spin이 되고있는 것을 볼 수 있다.)

Figure 6 HPM Cleaning

 

Figure 7 Spin dry

 Cleaning 공정을 마친 뒤 자연 산화막이 제대로 사라졌는지 육안으로 살펴보려면 물을 떨어뜨려 친수성을 가지고 있는지 소수성을 가지고 있는지 확인을 하면 된다. 산화막이 제대로 제거된 Si Wafer는 소수성을 띄어 물이 달라 붙지 않고 흘러내리게 된다.

②  산화 공정

반도체 공정에서 산화 공정이란 실리콘 기판에 산화제인 (O2,H2O)와 열 Energy를 공급하여, 전기가 통하지 않는 역할(절연막) 등 다양한 용도로 사용되는 대표적인 예로 SiO2 막을 형성하는 공정이다.

Oxidation의 과정은 산화제의 종류에 따라서 Wet Oxidation과 Dry Oxidation으로 나뉘며, <Figure 8>과 같은 Furnace라는 장비로 공정을 진행하게 된다.

Figure 8 Furnace(1)

<Figure 8>과 같은 Furnace는 Horizental(수평) Furnace라고 부르며 실제로 회사에서는 Vertical(수직) Furnace를 사용한다. 그 이유는 수직으로 되어있는 Furnace에 로봇 팔을 이용하여 Wafer를 넣고 빼기 쉽고, 면적을 덜 차지하며, 수직으로 되어있어 ULPA filter를 적용할 수 있어 대기중 입자에 의한 오염을 획기적으로 감소 시킬 수 있는 장점이 있기 때문이다. 실제로 <Figure 8>과 같은 수평 Furnace는 보이는 사진 이외에도 <Figure 9>에서 볼 수 있는 안 쪽의 고온 챔버까지 포함하면 큰 면적을 차지한다. 수평 Furnace의 경우에는 고온 챔버까지 Boat를 천천히 넣고 천천히 빼기 때문에 수직 Furnace에 비해서 먼지를 컨트롤 하기가 어려운 것을 확인 할 수 있었다.

Figure 9 Furnace(2)

외부에서 고온의 챔버로 이동할 때 Wafer는 <Figure 10>에서 볼 수 있는 Boat라고 부르는 carrier에 담겨 이동을 하게 된다.

 

Figure 10 Boat(Wafer Carrier)

 이 Boat는 Quartz라는 물질로 만들어져 고온에 강하다. 하지만 힘을 줄 경우 부셔질 수도 있으니 조심해서 다루어야 한다. 다시 Oxidation 과정으로 돌아와보면 Dummy Wafer를 배웠었다. 이러한 Dummy Wafer는 실제 공정에서 계속 사용되기 때문에 <Figure 10>과 같이 미리 들어가 있으며, 후에 실제 Wafer를 꼽으면 <Figure 11>과 같이 양쪽 끝으로 자리를 옮겨서 공정을 진행한다.

Figure 11 Furnace(3)

Oxidation 공정을 진행한 후 얻은 산화막의 두께가 정확한지는 어떻게 알 수 있을까? 바로 Nanospec 또는 <Figure 12>와 같은 Ellipsometer를 이용하여 측정하게 된다. Ellipsometer는 빛의 굴절 및 반사로 두께를 측정하며, 이 때문에 얇은 박막에 대해 정확도가 떨어진다는 단점이 있다. 하지만 후속 공정을 진행 할 수 있고, 측정이 간편하다는 장점이 있어 연구용으로 많이 사용된다.

 

Figure 12 Ellipsometer(1)

 

Figure 13 Ellipsometer(2)

 Ellipsometer로 각 정해준 Point를 측정하게 되면, <Figure 13>과 같이 평균과 표준편차 결과가 그래프로 제공된다.

 

③  사진 공정

Figure 14 Photolithography (1)

 사진 공정은 빛을 이용한 작업을 하기 때문에 빛의 영향을 최소화 하기위해서 사진 공정 FAB 내부는 <Figure14>와 같이 주황색(노랑색) 빛을 내는 등이 설치되어 있다.

Figure 15 Photolithography (2)

<Figure 15>를 보면 앞쪽으로는 로봇 팔이 보이고, 뒤 쪽으로는 홈이 파여져 있는 것을 확인 할 수 있다. 이는 Photo 공정을 진행할 때 시행되는 Bake 과정을 진행하기위한 Hot Plate이다. 로봇 팔이 왔다 갔다 할 수 있게 납작한 구조를 보여주고 있다.

Figure 16 Photo Resist(1)

<Figure 16>은 PR(Photo Resist)을 도포 할 때 사용되는 Spin Coating 장비이다. 로봇 팔이 Wafer를 가져와 놓아주면 <Figure 17>과 같이 Spin을 하면서 PR이 도포되고 과정이 끝나면 <Figure 15>의 Hot plate로 이동하여 Bake 과정을 거친다. 

 

 

Figure 17 Photo Resist(2)

PR을 도포 후, PR의 두께는 전부 일정해야 정밀하게 도포되었다고 할 수 있다. 하지만 이물질의 여부, 장비의 정밀함 등을 이유로 PR이 고르게 도포되지 못하였을 경우, <Figure 18>과 같이 색의 차이로 구별이 가능하다. 색에 따른 대략적인 PR의 두께는 Color Chart에서 확인이 가능하지만, 색이 반복되기 때문에 정확한 두께는 장비를 이용하여 측정하여야 한다.

Figure 18 Photo Resist(3)

이후 PR이 제대로 도포되었을 경우, <Figure 19>같은 노광 장비를 통해 노광 과정을 진행하게 된다.

Figure 19 Lithography(1)

 

<Figure 19>에서 볼 수 있는 노광장비는 Nikon Stepper이며, 외부 빛의 간섭을 최소화 하기 위해서 최소한의 필요한 외부 통로들이 검은색으로 칠해져 있는 것을 볼 수 있다.

Figure 20 Align

<Figure 20>은 Wafer가 <Figure 19>의 Stepper에 들어가고 난 후, 이전 Pattern과 맞추기 위해서 Align 과정을 진행하고 있다. 다양한 방법으로 Align을 진행할 수 있지만 <Figure 20>에서는 약속된 줄의 몇 번째 칸에 맞추겠다고 정해져 있어 해당 칸으로 Mark를 이동시키는 중이다.

 

Figure 21 Lithography(2)

<Figure 21>을 보면 노광 과정을 거쳐 Wafer에 패턴이 새겨진 것을 볼 수 있다. 또한 <Figure 18>과 다르게 PR 코팅이 잘되어 한 가지의 색으로 균일하게 빛을 내어 PR이 균일하게 코팅이 되어있는 것을 육안으로 확인할 수 있다. 이 후 Develop 과정을 통해 PR을 제거하면 <Figure 22>와 같이 패턴만 Wafer위에 남게 된다.

Figure 22 Pattern on Wafer

Figure 23 Alpha Step(1)

Pattern이 생성된 후, Alpha Step 장비를 통해서 만들어진 Pattern의 두께를 측정하고 있다. Pin을 이용해서 측정을 하므로, Wafer에 스크레치가 남게 된다. 따라서 실제로 이용할 때는 측정용 Wafer를 동일한 조건으로 공정을 진행하여 따로 만들어 측정하게 된다.

 

 

Figure 24 SEM(전자 현미경)

전자 현미경을 통해 살펴본 결과 이전 Pattern과 Align이 잘 되어있는 것을 <Figure 24>를 통해 볼 수 있다.

 

④  식각 공정

Oxidation과 비슷하게 Etch도 Dry 와 Wet으로 나누어서 살펴볼 수 있으며, 실습의 경우 Dry Etching을 진행하였다. Wet 이 아닌 Dry Etch를 하는 가장 큰 이유는 100n 이하의 정밀한 Etching을 할 수 있기 때문이다. 그리고 이러한 Etching은 Plasma를 사용하기 때문에 가능하다.

Figure 25 MERIE(P - 5000)

Dry Etching은 <Figure 25>의 MERIE(Magnetically Enhanced Reactive Ion Etching) 방식을 사용하며, 이름에서 볼 수 있듯 자기장을 이용하여 Plasma를 생성 및 그 밀도를 향상시켜 Etch을 정밀하게 할 수 있는 방법이다. 특히 이름이 들어가 있는 RIE 방식을 많이 쓰는데 Physical  그리고 Chemical Etching의 장점을 둘다 가지고 있어 최대한 비 등방성으로 Etching 할 수 있기 때문이다.

Figure 26 Etching(1)

<Figure 26>은 Plasma가 생성될 때 나오는 빛으로 Plasma가 생성되었다는 것을 확인 할 수 있다.

실제로 안에서 진행되는 과정은 육안으로는 살펴볼 수 없기 때문에 <Figure 27>과 같이 모니터를 통해서 현재 어느 부분이 진행되고 있는지 확인 할 수 있다.

Figure 27 Etching Process

 중앙의 노란색이 현재 Carrier에 들어있는 Wafer의 수를 나타내며, 왼쪽 아래 네모 칸이 Etch를 진행하는 Chamber를 나타낸다. 로봇 팔이 Etch 과정을 진행하는 Chamber에 Wafer를 집어넣고 공정이 진행되면 <Figure 28>과 같이 모니터에 표시가 된다.

 

Figure 28 Etching Process(2)

또한 해당 Process가 진행 될 때, 위쪽 메뉴에서 해당 Chamber를 눌러주면, <Figure 29>와 같이 Etching Process를 볼 수 있다.

Figure 29 Etching Process(3)

<Figure 29>에서 Etching을 할 때, CF4, CHF3, Ar 가스를 이용하는 것을 알 수 있다. 이후 원하는 깊이 만큼 Etching이 잘 되었는지는 두께 측정장비를 이용해서 알아 볼 수 있다.

 

⑤  박막 증착 공정

Oxidation의 경우 Gate 산화막 등으로 사용되어 품질에 크게 영향을 미치기 때문에 품질이 좋아야 한다. 따라서 Oxidation은 시간이 오래 걸리더라도 좋은 품질의 산화막을 만들기위해 시간을 쓴다. 하지만 원하는 Pattern을 만들기 위해서 산화막을 보호막으로 쓰는 경우는 품질은 크게 중요하지 않다. 따라서 Deposition 즉 증착 방식으로 산화막을 만들게 된다. Deposition 방식은 크게 2가지의 종류로 구분하면 CVD와 PVD로 구분을 할 수 있으며, 실습 및 대다수의 회사에서는 CVD를 사용하고 있다. 그 이유는 CVD가 PVD에 반하여 가스를 사용하여 대량 생산을 하기 쉬우며, 비용이 PVD에 비해서 작게 들고 Step Coverage 와 Gap filling 특성이 좋기 때문이다. 실습에서 사용하는 CVD는 이전 Etch 공정에서 사용한 P-5000을 사용하며 그 중 다른 Chamber 2개에서 각각 SiOx와 SiNx를 PECVD(Plasma Enhanced CVD) 방식으로 생성한다. PECVD는 300도 정도되는 공정에서는 저온에 해당하는 온도에서 증착이 가능하고, 빠른 증착이 가능하다는 장점이 있다. 온도는 공정에서 매우 중요한 요소로 볼 수 있는데 Oxidation 과정의 경우는 <Figure 9>에서 볼 수 있듯 900도에 근접하는 온도이고 다른 CVD 종류 중 LPCVD의 경우도 800도에 근접하는 온도에서 과정을 진행하게 된다. 하지만 공정이 진행되어 다른 물질들이 Wafer위에 올라가 있을 경우 온도에 관해서 더 관리를 잘해주어야 하기 때문에 PECVD의 다른 방식보다 낮은 온도에서 진행할 수 있는 방식은 큰 장점이 된다.

Figure 30 P-5000(PECVD)

<Figure 30>에서 3개의 Chamber 중 노란 스티커가 붙어있지 않은 2개의 Chamber가 CVD에 사용되는 Chamber이다. Deposition 공정을 진행하면서 PECVD의 경우 300도에 가까운 온도가 필요한데 이는 <Figure 31> 에서 보이는 붉은 빛 즉, Lamp를 통하여 필요한 온도를 올려 공정을 진행한다.

Figure 31 PECVD Lamp Light

PECVD와 다르게 LPCVD는 앞서 700도 정도의 온도에서 공정을 진행한다고 하였다. 따라서 LPCVD의 경우에는 <Figure 32>와 같이 Furnace 와 비슷하게 생긴 장비를 통해서 공정을 진행한다.

Figure 32 LPCVD

⑥  금속 공정

Figure 33 Sputter(1)

금속 박막 증착에 사용되는 Sputter는 <Figure 33>과 같이 각 Chamber 별로 증착 가능한 금속의 종류를 볼 수 있다.

Figure 34 Sputter(2) - Endura

<Figure 34> 를 통해 Sputter(모델명 : Endura)를 살펴볼 수 있다. PVD 방식인 Sputter의 경우 저온 증착이 가능하여 메탈 소재를 증착 할 때 사용이 좋다. 하지만 PVD 방식은 Step coverage가 좋지 않아 W 같은 CVD를 사용해도 되는 금속 물질은 CVD를 사용하는 것이 더 효율이 좋다. 따라서 현재 PVD의 이러한 단점을 해결하기 위해서 Ionized PVD(I-PVD) 방식을 고안하고 있다. I-PVD는 입자를 이온화 시켜 직진성을 향상시켜 Step Coverage를 향상시키는 방법이다.

Figure 35 PVD Process

PVD의 경우에도 CVD에서 본 것과 마찬가지로 각각의 Chamber 별 상황 및 전체 진행 상황을 모니터를 통해 확인 할 수 있다.(Figure 35, Figure 36) 실제 Al 증착이 완료된 모습은 <Figure 37> 에서 확인 할 수 있다.

Figure 36 PVD Process(2)

 

Figure 37 After PVD(Al)

 

⑦  이온 주입 공정

이온 주입 공정은 <Figure 38>과 같은 이온주입기(ION Implanter)를 통해 진행이 된다.

 

 

Figure 38 Ion Implanter

 

Figure 39 Select Gas

<Figure 39>에서와 같이 원하는 가스를 정한 뒤 여러 조건을 정하여 이온 주입을 할 수 있으나, 연구실과 회사들은 여러 실험으로 인해 <Figure 40>과 같이 여러 레시피들을 가지고 있어 원하는 레시피를 누르면 설정 값들이 자동으로 입력된다. 이러한 레시피들은 각각의 공정 마다 사용되고 있다.

 

 

Figure 40 Recipe

이온 주입을 간단히 알아보면, 이온 Gas를 주입한 뒤, 이 Dopant에 에너지를 가해주어 Wafer에 주입시키는 것이다. 이후 Annealing 과정을 거쳐 완료를 하게 된다. Annealing 은 이온 주입 과정으로 인해 생긴 Si 격자 손상을 복구 시켜주고, 주입된 불순물을 격자 위치로 들어가게 만들어 전기적으로 활성화를 시켜주게 된다.  따라서 Furnace 장비를 이용하여 Annealing을 시켜 줄 수 있으며, <Figure 41>의 RTA(Rapid Thermal Annealing)와 같은 장비를 이용하여 Annealing을 할 수 있다.

Figure 41 RTA

Figure 42 RTA(2)

 <Figure 42>에서 파란선은 원하는 온도 값을 나타낸 것이며, 빨간 선은 실제 온도 변화를 의미한다. 그래프에서 Y축은 온도를 나타내며 1000도 까지 올라간 것을 볼 수 있으며, X축 시간을 보면 10초가 안 지난 시점에 도달한 것을 볼 수 있다. 따라서 RTA는 명칭처럼 급속도로 온도를 올리는 장비이다 이는 Furnace와 같이 고온에서 오랜 시간을 보내면 다른 공정에서 작업한 결과들이 영향을 받을 수 있기 때문이다. 따라서 Furnace는 Well을 만들 때 많이 사용하고, RTA는 Junction을 만들 때 많이 사용한다.