전체 반도체 장치 제조 공정 이해

1. 포토리소그래피 

종종 패턴 생성과 동의어인 포토리소그래피는 인쇄의 사진 제판 공정에서 유래하는 반도체 기술의 급속한 발전을 뒷받침하는 가장 중요한 원동력 중 하나입니다. 이 기술을 사용하면 마이크로 또는 나노 규모의 패턴을 표현할 수 있습니다. 포토레지스트, 다른 공정 기술과 결합하여 이러한 패턴을 소재에 전사함으로써 반도체 소재 및 소자의 다양한 디자인과 컨셉을 구현합니다. 포토리소그래피에 사용되는 광원은 자외선, 원자외선, X선, 전자빔 범위의 옵션을 통해 패턴의 정밀도에 직접적인 영향을 미치며, 각각 언급된 순서대로 패턴 충실도 수준이 높아집니다.

표준 포토리소그래피 공정 흐름에는 표면 준비, 접착, 소프트 베이킹, 노출, 노출 후 베이킹, 현상, 하드 베이킹 및 검사가 포함됩니다.

기판은 일반적으로 공기 중의 H2O 분자를 흡수하므로 표면 처리는 필수적입니다. 이는 포토리소그래피에 해롭습니다. 따라서 기판은 초기에 베이킹을 통해 탈수 처리를 거칩니다.

친수성 기판의 경우 소수성 포토레지스트와의 접착력이 부족하여 포토레지스트 박리 또는 패턴 정렬 불량이 발생할 수 있으므로 접착 촉진제가 필요합니다. 현재, 헥사메틸 디실라잔(HMDS)과 트리-메틸-실릴-디에틸-아민(TMSDEA)이 널리 사용되는 접착 강화제입니다.

표면처리 후 포토레지스트 도포가 시작됩니다. 도포된 포토레지스트의 두께는 점도와 관련이 있을 뿐만 아니라 스핀 코팅 속도의 영향을 받으며 일반적으로 스핀 속도의 제곱근에 반비례합니다. 코팅 후 소프트 베이크(Soft Bake)를 진행해 포토레지스트의 용제를 증발시켜 접착력을 향상시키는 프리베이크(Prebake) 과정을 거친다.

이러한 단계가 완료되면 노출이 발생합니다. 포토레지스트는 노출 후 반대 특성을 갖는 포지티브 또는 네거티브로 분류됩니다.

노출되지 않은 포토레지스트는 현상액에 용해되지 않지만 노출 후에는 용해되는 포지티브 포토레지스트를 예로 들어 보겠습니다. 노출 중에 패턴화된 마스크를 통과하는 광원은 코팅된 기판을 조명하여 포토레지스트를 패턴화합니다. 일반적으로 노출 위치를 정확하게 제어하려면 노출 전에 기판을 마스크와 정렬해야 합니다. 패턴 왜곡을 방지하려면 노출 시간을 엄격하게 관리해야 합니다. 노출 후 정재파 효과를 완화하기 위해 추가 베이킹이 필요할 수 있지만 이 단계는 선택 사항이며 직접 현상을 위해 우회할 수 있습니다. 현상은 노출된 포토레지스트를 용해시켜 마스크 패턴을 포토레지스트 층에 정확하게 전사합니다. 개발 시간도 중요합니다. 너무 짧으면 개발이 불완전해지고, 너무 길면 패턴 왜곡이 발생합니다.

그 후, 하드 베이킹은 기판에 대한 포토레지스트 필름의 부착을 강화하고 에칭 저항성을 향상시킵니다. 하드 베이킹 온도는 일반적으로 프리베이크 온도보다 약간 높습니다.

마지막으로 현미경 검사를 통해 패턴이 예상과 일치하는지 확인합니다. 다른 공정을 통해 패턴이 재료에 전사된 후 포토레지스트는 그 목적을 달성한 것이므로 제거해야 합니다. 스트리핑 방법에는 습식(아세톤과 같은 강한 유기 용매 사용) 및 건식(산소 플라즈마를 사용하여 필름을 에칭 제거)이 있습니다.

2. 도핑 기술 

도핑은 반도체 기술에 없어서는 안 될 요소로, 필요에 따라 반도체 재료의 전기적 특성을 변경합니다. 일반적인 도핑 방법에는 열 확산과 이온 주입이 포함됩니다.

(1) 이온주입 

이온 주입은 고에너지 이온을 반도체 기판에 충돌시켜 반도체 기판을 도핑합니다. 열확산에 비해 많은 장점이 있습니다. 질량 분석기를 통해 선택된 이온은 높은 도핑 순도를 보장합니다. 주입 전반에 걸쳐 기판은 실온 또는 그보다 약간 높은 온도로 유지됩니다. 이산화규소(SiO2), 질화규소(Si3N4), 포토레지스트 등 다양한 마스킹 필름을 사용할 수 있어 자체 정렬 마스크 기술로 높은 유연성을 제공합니다. 주입량을 정밀하게 제어하고, 주입된 불순물 이온 분포가 동일 평면 내에서 균일하여 반복성이 높습니다.

주입 깊이는 이온 에너지에 의해 결정됩니다. 에너지와 선량을 조절함으로써 주입 후 기판의 불순물 이온 분포를 조작할 수 있습니다. 다양한 불순물 프로파일을 달성하기 위해 다양한 방식으로 다중 주입을 연속적으로 수행할 수 있습니다. 특히, 단결정 기판에서 주입 방향이 결정학적 방향과 평행하면 채널링 효과가 발생합니다. 일부 이온은 채널을 따라 이동하여 깊이 제어가 어려워집니다.

채널링을 방지하기 위해 주입은 일반적으로 단결정 기판의 주축에 대해 약 7° 각도로 수행되거나 기판을 비정질 층으로 덮는 방식으로 수행됩니다.

그러나 이온 주입은 기판의 결정 구조를 크게 손상시킬 수 있습니다. 고에너지 이온은 충돌 시 기판의 핵과 전자에 에너지를 전달하여 격자를 떠나 격자간 결함 쌍을 형성하게 합니다. 심한 경우 일부 영역의 결정 구조가 파괴되어 비정질 영역을 형성할 수 있습니다.

격자 손상은 캐리어 이동도 감소나 비평형 캐리어 수명 감소 등 반도체 재료의 전기적 특성에 큰 영향을 미칩니다. 가장 중요한 것은 주입된 불순물의 대부분이 불규칙한 간질 부위를 차지하여 효과적인 도핑을 형성하지 못한다는 것입니다. 따라서 주입 후 격자 손상 복구 및 불순물의 전기적 활성화가 필수적입니다.

(2)급속열처리(RTP)

 열 어닐링은 이온 주입 및 전기적 활성화 불순물로 인한 격자 손상을 수정하는 가장 효과적인 방법입니다. 고온에서는 기판 결정 격자의 틈새 결함 쌍이 재결합하여 사라집니다. 비정질 영역은 또한 고체상 에피택시를 통해 단결정 영역과의 경계에서 재결정화됩니다. 기판 재료가 고온에서 산화되는 것을 방지하려면 진공 또는 불활성 가스 분위기에서 열 어닐링을 수행해야 합니다. 전통적인 어닐링은 오랜 시간이 걸리고 확산으로 인해 상당한 불순물 재분배가 발생할 수 있습니다.

출현RTP 기술단축된 어닐링 기간 내에 격자 손상 복구 및 불순물 활성화를 크게 달성하여 이 문제를 해결합니다.

열원에 따라,RTP전자 빔 스캐닝, 펄스 전자 및 이온 빔, 펄스 레이저, 연속파 레이저, 광대역 비간섭성 광원(할로겐 램프, 흑연 히터, 아크 램프) 등 여러 유형으로 분류되며 후자가 가장 널리 사용됩니다. 이러한 소스는 기판을 필요한 온도까지 순간적으로 가열하여 단시간에 어닐링을 완료하고 불순물 확산을 효과적으로 줄일 수 있습니다.

3. 필름 증착 기술

(1) 플라즈마 강화 화학 기상 증착(PECVD)

PECVD는 필름 증착을 위한 CVD(화학 기상 증착) 기술의 한 형태이며, 다른 두 가지는 APCVD(대기압 CVD)와 LPCVD(저압 CVD)입니다.

현재 PECVD는 세 가지 유형 중 가장 널리 적용됩니다. 이는 무선 주파수(RF) 플라즈마를 활용하여 상대적으로 낮은 온도에서 화학 반응을 시작하고 유지하므로 높은 증착 속도로 저온 필름 증착을 촉진합니다. 장비 개략도는 그림과 같습니다. 

이 방법을 통해 생산된 필름은 뛰어난 접착력과 전기적 특성, 최소의 미세 다공성, 높은 균일성 및 견고한 소규모 충전 기능을 나타냅니다. PECVD 증착 품질에 영향을 미치는 요소에는 기판 온도, 가스 유량, 압력, RF 전력 및 주파수가 포함됩니다.

(2) 스퍼터링 

스퍼터링은 PVD(물리적 기상 증착) 방법입니다. 하전된 이온(일반적으로 아르곤 이온, Ar+)은 전기장에서 가속되어 운동 에너지를 얻습니다. 그들은 표적 물질을 향하여 표적 분자와 충돌하여 떨어져 나가게 만듭니다. 이 분자들은 또한 상당한 운동 에너지를 갖고 있으며 기판을 향해 이동하여 기판 위에 침착됩니다.

일반적으로 사용되는 스퍼터링 전원에는 직류(DC) 및 무선 주파수(RF)가 포함됩니다. 여기서 DC 스퍼터링은 금속과 같은 전도성 재료에 직접 적용할 수 있는 반면, 절연 재료에는 필름 증착을 위해 RF 스퍼터링이 필요합니다.

기존 스퍼터링은 증착 속도가 낮고 작업 압력이 높아 필름 품질이 낮아집니다. 마그네트론 스퍼터링은 이러한 문제를 보다 이상적으로 해결합니다. 외부 자기장을 사용하여 이온의 선형 궤적을 자기장 방향을 중심으로 나선형 경로로 변경하여 경로를 늘리고 대상 분자와의 충돌 효율을 향상시켜 스퍼터링 효율을 향상시킵니다. 그 결과 증착 속도가 증가하고 작업 압력이 감소하며 필름 품질이 크게 향상됩니다.

4. 에칭 기법

에칭은 각각 특정 용액의 사용(또는 부족)에 따라 명명된 건식 모드와 습식 모드로 분류됩니다.

일반적으로 에칭에는 에칭할 의도가 없는 영역을 보호하기 위해 마스크 층(직접 포토레지스트일 수 있음)을 준비해야 합니다.

(1) 드라이에칭

일반적인 건식 에칭 유형은 다음과 같습니다.유도 결합 플라즈마(ICP) 에칭, 이온빔 에칭(IBE) 및 반응성 이온 에칭(RIE).

ICP 에칭에서 글로우 방전으로 생성된 플라즈마에는 화학적으로 활성이 높은 수많은 자유 라디칼(자유 원자, 분자 또는 원자 그룹)이 포함되어 있으며, 이는 대상 물질과 화학적으로 반응하여 휘발성 생성물을 형성하여 에칭을 수행합니다.

IBE는 고에너지 이온(불활성 가스에서 이온화됨)을 사용하여 에칭을 위해 대상 물질의 표면에 직접 충격을 가하는데, 이는 물리적 프로세스를 나타냅니다.

RIE는 앞의 두 가지의 조합으로 간주되어 IBE에 사용되는 불활성 가스를 ICP 에칭에 사용되는 가스로 대체하여 RIE를 구성합니다.

건식 식각의 경우 수직 식각 비율이 측면 비율보다 훨씬 높습니다. 즉, 종횡비가 높아 마스크 패턴을 정밀하게 복제할 수 있습니다. 그러나 건식 식각은 마스크 층도 식각하여 선택성(마스크 층에 대한 타겟 재료의 식각 속도 비율)이 더 낮습니다. 특히 IBE의 경우 재료 표면을 비선택적으로 식각할 수 있습니다.

(2) 습식 에칭 

습식 에칭이란 대상 물질과 화학적으로 반응하는 용액(에칭액)에 대상 물질을 담그어 에칭하는 방법을 의미합니다.

이 에칭 방법은 간단하고 비용 효율적이며 좋은 선택성을 나타내지만 종횡비가 낮습니다. 마스크 가장자리 아래의 재료가 부식되어 건식 에칭보다 정밀도가 떨어질 수 있습니다. 낮은 종횡비의 부정적인 영향을 완화하려면 적절한 에칭 속도를 선택해야 합니다. 식각 속도에 영향을 미치는 요소로는 식각액 농도, 식각 시간, 식각액 온도 등이 있습니다.**