반도체 공정 기술

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Introduction to Semiconductor Industry

반도체 공정 기술

Introduction to Processing

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Ref.: G.E. Moore, “Cramming more Components onto Integrated Circuits,” Electronics, Vol. 38, No.8, April 19, 1965, No Exponential is Forever: But ‘Forever’ Can be Delayed,” Proceedings of ISSCC 2003, pp 20-23

• 이미 앞서 살펴 본 바처럼, 오늘날 전자 산업에서 가장 중요한 요소로 일컬어지는 4가지 요소;

1) Cost, 2) Integration Density(集積度), 3) Speed, 4) Power

• 이로 인해 반도체 산업계에 빚어지는 경쟁의 양상 은 다음과 같이 요약할 수 있다 1) 가격 경쟁력의 증대, 2) 동작 속도의 증가, 3) 이동성의 극대화, 4) 전력 소모의 감소

Moore의 법칙과 전자 산업의 동향

Figure Moore의 법칙으로 유발된 최근 전자 산업의 동향과 관련된 반도체 업계의 경쟁 요소

“Moore’s Law

^*

”

“Integration Density Doubles(X2) Every 1.5 yrs.

Or Quadruples(X4) Every 3 yrs.”

. 가격 경쟁력 . 속도 증대 . 이동성 증대 + 복합/융합화 . 저전력 소모

Density

Cost

Speed

Power

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• 집적도 증가로 인해 생기는 효과는 가격 경쟁력 제고, 이동성 증대, 복합/융합화 등을 들 수 있으며, 이를 뒷받침하기 위한 해결 방안으로 다음과 같이 IC Chip 상에서 할 수 있는 일과 Chip 밖에서 해결할 수 있는 일로 나누어 볼 수 있다

1) Chip 상(On-Chip)의 해결 방안: 미세화, SoC(System-on-Chip)

2) Chip 밖(Off-Chip)에서 할 수 있는 해결 방안: 고밀도(High-End)Package, SiP (System-in-Package), SiB(System-in-Board) 등

• 저전력 소모로 인해 생기는 가장 직접적인 효과는 이동성 증대이며 이를 뒷받침하기 위해 다음과 같은 것을 해결 방안으로 제시할 수 있다

1) 기기에 내재된 부품과 기기 자체의 공급 전력(Supply Voltage, V)의 감소 (전력 소모를 W, 전류를 I 라 고 할 때 W = IV 이므로 V↓ -> W↓)

2) IC Chip을 구성하는 각종 Transistor 및 기타 소자의 전력 소모를 최대한으로 억제하는 소자 설계 3) 효율적인 회로 설계를 통한 전력 소모 최소화

4) 과거 전력 소모 측면에서 소자 설계나 회로 설계의 저전력 소모(Low Power Consumption)만을 추구하였으나, 최근 들어서는 위의 그림에서 보는 것처럼 동작 전체를 통해 전력 소모를 최적화(Optimization)하는 것에 관심을 두기 시작하였는데 이를 ‘Power Management’(전력 관리, 전력 소모 최적화)라고 부른다

대기 상태 (Stand-by)

• 전력 소모 최소화

동작 상태

• 최대 속도

• 전력 소모 증대 (∵ 속도 증대)

대기상태와 동작 상태에서 기기 전체로는

1) 동작 속도를 고속으로 유지하면서 2) 전력 소모를 최소화 할 수 있음

Figure 기기 내에서의 전력 소모 최적화의 개념 Minimum

Power Consumption (W) Time

집적회로 제조 공정의 종류

• 집적회로 제조 공정은 크게 나누어 다음과 같이 분류 1) 감광(Lithography)

원하는 형상의 회로 선을 얻기 위한 목적이나 배선(Interconnection)용 접촉(Contact)을 이루기 위한 구멍(Contact Hole)을 형성하기 위한 용도로 대상 재료의 막에 감광재를 발라 선택적으로 감광시켜 대상막의 남을 부분과 없어질 부분을 구분하는 공정 2) 식각 (Etching)

감광 공정에서 감광된 부분과 감광되지 않은 부분을 구별하여, 제거할 부분을 화학적, 물리적으로 없앰으로써 최종적으로 회로 선이나 Contact Hole을 형성하는 공정

3) 가열 (Thermal)

열공정은, i)소자 격리, 절연막 증착을 위한 Silicon 산화막(SiO

₂)의 형성, 또는 부동층(Passivation Layer) 증착을 위한 질화막(Si₃N₄)의 형성과 다짐 처리(Densification Anneal), iii) Well이나 Transistor 등을 형성하기 위해 주입한 원소(Boron, Arsenic, Phosphor, Germanium, Indium 등)의 결정 내 확산 (Diffusion), ii) Ion 주입 시 손상된 결정 구조의 회복(Recovery Anneal) 다양한 목적으로 활용

4) 증착(Vapor Deposition)

앞서 언급한대로 화학 기상 증착(CVD) 공정과 물리 기상 증착(PVD or Sputtering)이 있으며, 최근 Copper 박막을 얻기 위해서는 Vapor

Deposition이 아닌 전해 도포 공법(Electrodeposition)이나 무전해 도포 공법(Electroless-Deposition) 등을 적용하기도 한다 5) CMP(Chemical Mechanical Polishing )

Copper 사용과 함께 본격적으로 사용되기 시작한 공법으로 Etching으로 회로 Pattern을 얻을 수 없는 Copper 배선을 위해 없어서는 안 되는 필수적인 공법이며, 평탄화(Planarization)를 위한 공정, 그 외 Wafer의 뒷면을 갈아 내어 아주 얇은 Chip을 만드는 데에도 쓰인다

Patterning

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• 일반적으로 전자 기기의 최신 동향을 뒷받침 하기 위한 공정 기술 상의 진보는 다음과 같이 세가지 측면에서 이루어진다 1) 새로운 공정 기술의 적용,

2) 새로운 재료의 적용, 3) 새로운 장비의 적용

. 흔히, 새로운 공정이나 새로운 재료를 적용하는 것은 M’s L를 따라 지속되는 미세화 과정에서 맞게 되는 기존 사용 재료나 공정의 물리적 한계를 극복하기 위한 조치들이며, 이를 수행하기 위해서는 새로운 재료나 공정 기술에 적합한 새로운 장비의 개발과 사용이 동반하여 따르게 되는 것이 일반적이다

. 이를 뒤집어 해석하면, 공정, 재료, 장비 중 하나만 바꾸더라도 나머지 요소들을 더불어 변경해야 한다는 의미이므로, 이 세가지 요소 중 하나라도 바꾸어 신기술이나 신재료를 적용한다는 것은 제품 개발과 생산에 많은 위험이 따른다는 뜻이며 동시에 가격 경쟁력에 지대한 영향을 미칠 수 있으므로 신중하게 검토해야 한다는 의미이기도 하다

공정 측면의 기술 진보

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새로이 검토가 필요하거나 검토 중인 신기술과 신재료의 예시

Area Technology Requirement Material/Equipment

(Lithography) 감광

짧은 파장의 광원 Laser(F₂), X-ray, E-Beam 구경(NA: Numerical Aperture)이 큰 광학계와

새로운 Lens 재료 CaF₂

Reticle 정도 향상 기술

(RET: Reticle Enhancement Technologies) PR(Polymer Platform), New Mask

(Etch) 식각

전면적을 통해 식각 밀도가 균일한 Plasma 기술 대구경 (f450mm-675mm) Wafer

고선택성 /고밀도 Patterning HD(High Density) Plasma, Plasma Source 낮은 식각 손상(Etch Damage) 중성 Beam

PFC^* 감소 식각 PFC 재료를 대신할 수 있는 새로운 식각재

Transistor 형성 후 공정 (BEOL: Back-End of Line)

새로운 배선 재료

(빠른 동작 속도/낮은 전력 소모/낮은 기생 효과) 구리(Copper)

유전 상수가 낮은 절연 재료 (Low k Dielectric)

평탄화 CMP 연마제

축전 용량이 큰 축전기 (Capacitor for DRAM) 유전 상수가 큰 절연 재료 (High k Dielectric) 새로운 전극 재료와 확산 제어 재료

(New Electrode and Diffusion Barrier) 희토류 금속, 내열성 높은 요업 재료

Nanometer 수준의 박막 제어 공정 (MOCVD, ALD) 유기 금속 재료의 전구체(Metal-Organic Precursor) Table 오늘날 IC 제조에서 활용되는 기술 분야에 따른 재료의 예

*PFC: Perfluoro-Carbon

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