[청년 Hy-Po 서포터즈 2기] - MISSION 05. 강의노트 작성하기 3 (반도체 공정 1편)

[서포터즈 MISSION 05. 강의노트 작성하기 3] - 반도체 공정 1편

 

안녕하세요!

SK 하이닉스 청년 Hy-Po 4기 교육생이자 서포터즈 2기로 활동중인 교육생 김세영입니다!!

 

이번편은 반도체 공정 정리의 시작이 되는 반도체 공정 1편입니다!!

사실 반도체 공정을 배우는 첫 날에 제가 세미콘을 가느라 수업에 불참했는데요..😭😭😭

같은 팀원 친구가 필기한 내용을 보내주어 혼자서라도 공부할 수 있었습니다!

이게 바로 청년 Hy-Po가 팀으로 구성되어 이루어지는 것에 대한 순기능 아닐까요??

 

아무튼 혼자 공부한 내용을 바탕으로 오늘 정리해 볼 부분은 바로바로

반도체 공정의 맨 처음 단계인 Wafering 입니다!!

 

웨이퍼 위에 회로를 그려 만드는 반도체 공정인 만큼 웨이퍼를 만드는 것이 공정의 가장 첫 단계겠죠??

그럼 바로 시작해볼까요??

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📝 Wafer

[출처] 삼성 반도체 이야기

• 웨이퍼란?
  • 반도체 결정을 성장시켜서 만든 원기둥을 얇게 썬 원판으로 반도체 칩을 만드는 토대가 되는 얇은 원판
  • 크게는 실리콘 기반의 실리콘 웨이퍼와 비실리콘 웨이퍼로 구분됨
  • 실리콘(Si)은 지구상에 풍부하게 존재하고 있어 안정적인 재료 수급이 가능하고, 독성이 없어 환경적으로도 우수하다는 장점을 지니고 있어 가장 많이 사용되는 재료 중 하나이다.

[출처]  삼성 반도체 이야기

• 웨이퍼 (Wafer)
  • 반도체 집적회로의 핵심 재료로 원형의 판을 의미
• 다이 (Die)
  • 둥근 웨이퍼 위에 작은 사각형은 하나하나가 전자 회로가 집적되어 있는 IC 칩.
  • 이를 다이라고 함
• 스크라이브 라인 (Scribe Line)
  • 사실 다이는 일정 간격을 두고 서로 떨어져 있는데 이 간격을 스크라이브 라인이라고 함.
  • 스크라이브 라인은 웨이퍼 가공이 끝난 뒤, 이 다이들을 한개씩 자르고 조립해 칩으로 만들기 위해서 존재
  • 즉, 다이아몬드 톱으로 잘라낼 수 있는 폭을 두는 것
• 플랫존 (Flat Zone)
  • 웨이퍼의 구조를 구별하기 위해 만든 영역으로 플랫존은 웨이퍼 가공 시 기준선이 됨.
  • 웨이퍼의 결정구조는 매우 미세해 눈으로 판단할 수 없기 때문에 이 플랫존을 기준으로 웨이퍼의 수직, 수평을 판단함.
• 노치 (Notch)
  
  • 최근에는 플랫존 대신 노치가 있음
  • 노치 웨이퍼가 플랫존 웨이퍼보다 더 많은 다이를 만들 수 있어 효율이 높음

 

📝 Wafer 제조 공정 (Wafering)

[출처] 삼성 반도체 이야기

1. 잉곳(Ingot) 만들기
   • 다결정 실리콘을 고온으로 녹인 뒤 단결정 실리콘 잉곳으로 성장시킴.
   • CZ, FZ method가 대표적
2. 잉곳(Ingot) 절단하기
   • 잉곳 블록을 낱장의 웨이퍼로 절단하는 공정
   • 다이아몬드 톱을 사용해 균일한 두께로 얇게 절단
   • 웨이퍼 두께가 얇을수록 제조 원가가 줄어듦
   • 지름이 클수록 한번에 생산할 수 있는 반도체 칩의 수가 증가해 웨이퍼의 두께와 크기는 점차 얇아지고 커지는 추세임
3. 웨이퍼 표면 연마하기
   • 정밀 가공을 통해서 웨이퍼의 미세 굴곡을 제거하는 공정
   • 연마액과 연마 장비를 통해 웨이퍼의 두께를 조절하고 표면을 매끄럽게 갈음
   • 수율과 연관되어 있기에 꼭 거쳐야 하는 과정임.
4. 연마된 웨이퍼 cleaning
   • 여러가지 오염의 특성을 고려해 세종에 필요한 화학물질, 온도, 시간을 조절해 클리닝하는 공정

 

📝 CZ (Czochralski) method VS FZ (Float Zone) method

[출처] https://j-kirr.or.kr/articles/xml/q27r/

• CZ (Czochralski) method
  • SiO2의 형태로 있는 모래를 도가니(crucible)에 넣어 가열 후 굳히는데 이때에 단결정의 Si seed를 담구고 이것을 들어올리면 고상과 액상 사이에서 냉각이 일어나고 이로 인해 균일하게 단결정의 Si이 성장하면서 잉곳을 생성하는 방법
  • FZ 방법보다 직경의 제한이 없고 제조 비용이 비싸지 않아서 상업적으로 메리트 있음
  • Quartz crucible에 Si를 넣는 과정에서 불순물이 생길 수 있으므로 불순물을 잘 해결해야 하는 단점
• FZ (Floating Zone) method
  • 다결정 Si의 잉곳을 만든 후 열선(coil)을 잉곳의 하단에서부터 올리면서 다결정의 잉곳을 녹이며 seed의 모양에 맞춰 단결정의 Si로 성장시킴
  • 도가니와 접촉하지 않기 때문에 도가니에서 녹아나올 수 있는 불순물들을 포함하지 않기 때문에 고순도의 웨이퍼를 얻는데 유리함.
  • 비용이 많이 드는 공정이기 때문에 특수한 경우에만 사용한다.

 

📝 Cleaning (세정) 공정

• 웨이퍼에 외형변화를 일으키기 위해서 공정들을 진행하면 웨이퍼 표면에 화학적/물리적 잔류물이 남게 되는데, 이러한 잔류물을 제거하는 공정이 세정(Cleaning)임
  • 웨이퍼 세정을 제대로 하지 않으면 제품의 성능과 신뢰성에 치명적인 악영향을 미침
  • 수율이 떨어져 다음 공정으로 진행시켜야 할 양품 개수가 적고, 제품 품질이 나빠짐.
• 오염인자
  • particle
    : 대기 중 먼지, 장비, 사람, 공정 시 발생하는 입자
  • metal
    : 장비, 반응 중 발생하는 금속 성분 불순물
  • organic
    : 대기 중 유기화합물, PR 잔류물, 사람에게서 발생하는 유기물
  • native oxide
    : Si가 대기 중 산소와 반응하여 형성
• 세정의 종류
  •  Batch (Immersion) Type
    • 침습형, 통에다가 wafer를 담가 진행
    • 여러장의 wafer를 동시에 진행 가능 → throughput이 좋음
    • 웨이퍼의 윗부분이 제일 늦게 들어가서 제일 먼저 나와 세정 균일도가 낮음
  • Single wafer (Sprary) Type
    • 한장씩 wafer를 회전하는 원판 위에서 chemical을 분사하여 세정
    • 세정 균일도가 높음
    • throughput이 좋지 못함

 

📝 Wet cleaning

• DI water
  • Deionized (DI) water
  • 수중의 이온이 제거된 상태의 물
  • 산이 있는 상태에서 DI water에 넣으면 DI water의 저항이 낮아짐

 

• SPM (Sulfuric acid and hydrogen Peroxide Mixture) 
  • Piranha Cleaning 
  • 유기물 제거에 특화(PR)
  • H2SO4 + H2O2 → H2SO5 + H2O
  • H2SO5 + Hydro carbon → CO2 + H2O + H2SO4
  • H2O2로 유기물을 산화시키고, H2SO4로 유기물을 녹임
• APM (Ammonia and hydrogen Perioxide Mixture) 
  • SC1 (Standard Cleaning 1)
  • 파티클 + 유기잔류물 제거
  • 2H2O2 + C → CO2 + 2H2O
  • M + H2O2 → MO + H2O, MO + 4NH4OH → M(NH4)4+
  • 과산화수소로 산화시키고 물에 녹여 제거
• HPM (Hydrochloric acid and Peroxide Mixture)
  • SC2 (Standard Cleaning 2)
  • 금속 잔류물 제거
  • M + H2O2 → MO + H2O
  • MO + 2HCl → 2MCl2 + H2O
  • Diluted HF (DHF) 불산
  • 과산화수소로 산화시키고 염산을 통해 이온화 후 DI water를 통해 오염물 제거

 

📝 Contamination Detection

• 웨이퍼에 오염물질이 있는가? 를 보는 방법
  • 레이저와 광학 현미경을 사용
    • 표면에 오염물이 있으면 빛의 산란 발생
    • 현미경을 통해 표면에 결함이 있는지 확인
  • 이미지 비교
    • "good reference"와 이미지 비교
  • Gate insulator의 결함 확인
    • Breakdown voltage 전의 최대 electric field 측정
    • Threshold voltage 변화 측정
    • Capacitance - voltage 특성 비교
  • DI water 질 평가
    • DI water의 오염은 보통 이온오염이다.
    • 저항도를 측정

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이렇게 해서 반도체 공정 정리 1편인 "wafering + cleaning" 편이 끝났습니다!!

반도체 공정의 시작인 만큼 수율과 관련된 요소들이 있기 때문에 wafering 과 cleaning 공정 역시 매우 중요하다는 것을 알 수 있었던 시간이었던 것 같아요!😊😊

다음편은 Oxidation 즉, 산화 공정을 정리해볼 예정입니다!!

다음편도 기대해주세요!!😍😍😍

 

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(※ 본 게시물은 청년 Hy-Po 서포터즈 2기 활동의 일환으로 작성되었습니다.)