[반도체공정(FEOL)] Wafer fabrication #01

Wafer fabrication

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물질의 전기전도도

반도체(Semiconductor)의 일반적인 정의는 도체(Conductor)와 부도체(Insulator)의 중간 정도의 전기전도도(비저항)을 갖는 물질을 말한다. 또, 부도체와 도체와 다르게 Dopant를 주입하여 전기전도도를 쉽게 조절할 수 있다. 표와 같이 반도체는 Ge, Si, GaAs, GaP, CdS 등 다양한 물질이 존재한다. Ge/Si와 같이 한 가지 원소로 구성되어 있는 반도체를 Elemental semiconductor, GaAs/GaP/CdS와 같이 두 가지 원소 이상으로 구성되어 있는 반도체를 Compound semiconductor라고 한다. 또 반도체를 불순물의 여부에 따라 구분할 수 있는데, 불순물이 없는 반도체를 진성 반도체(Intrinsic semiconductor)라고 하고 불순물이 있는 반도체를 외인성 반도체(Extrinsic semiconductor)라고 한다.
 
우리가 일반적으로 접하는 반도체는 실리콘 기반의 반도체이다. 반도체를 주로 실리콘으로 제작하는 다음과 같은 이유들이 있다.
1. 가격이 저렴하다. (지각에서 2번째로 많은 원소)
2. 단결정으로 성장하기 용이하다. (Compound semiconductor는 화학양론비를 맞추어 제작하는데 어렵다.)

3. 안정한 산화막(SiO₂)가 존재한다. (Ge의 경우 산화막을 성장하기 어렵고, 물에 녹는 문제가 있다.)

4. 다양한 Dopant들이 존재한다. (As, B, P)
5. 적당한 Bandgap를 갖고 있다. (1.12eV으로 Ge(0.67eV)에 비해 고온 동작이 가능하다)
 
♭ Wafer fabrication process
Quzrtizite 추출 → Pure-Si 정제 → Ingot 성장 → Ingot 절단 → Inspection & Packaging
 
1) Quzrtizite 추출

규소(Silicon)은 지구의 지각에서 2번째로 많은 원소입니다. 하지만, 지각에는 순수한 규소(Si)가 아닌 모래(SiO₂) 형태로 존재하고 있습니다. 따라서, 순수한 실리콘 형태로 추출해야합니다.

 
2) Pure-Si 정제: MGS 추출 → TCS 제조 → EGS 제조
-MGS(Mettallurgical-grade silicon) 추출 
SiO2에서 Si으로 정제하는 첫 단계 고온 연소 반응을 통해 순수한 규소를 추출

SiO₂ + 2C → Si + 2CO₂ (2,000℃)

 
-TCS(Trichlorosiliane) 제조
TCS는 높은 순도를 가지는 규소를 얻기 위한 가장 일반적인 원료 중 하나로 염산(HCl)과 반응하시켜 TCS(SiHCL3)를 제조
① Si power : MGS를 통해 Si power 제조

② TCS 제조 : Si + 3HCl → SiHCl₃ + H₂

→ 분별 증류를 통해 MGS의 불순물을 제거하여 9N TCS 제조
 
-EGS(Electronic-grade silicon) 제조
Ingot seed로 사용할 수 있는 높은 순도(11~12N)의 순수한 규 추출

2SiHCl₃ + 2H₂ → 2Si + 6HCl

 
3) Ingot 성장

① CZ(Czochralski) method

 

Czochralski method

 
1. 높은 순도를 갖는 EGS charge를 도가니 투입
2. Growth chambber를 진공으로 Pumping한 후 불활성 기체 주입
3. 도가니를 1421℃ 이상으로 가열하여 EGS charge를 용융
4. Single crystal Si-seed(직경: 5mm, 길이: 100~300mm)를 내려서 용융된 Si 용액에 접촉
5. Si-seed를 끌어올림(일반적인 속도: 분당 수 mm)
6. Ingot 온도 분포를 균일하기 위해 Si-seed와 도가니를 서로 반대 방향으로 천천히 회전
 

불순물 농도 분포

CZ method를 통해 성장시킨 Si ingot에 존재하는 불순물(Impurity)에 대해 알아보도록 하겠습니다. 상기 그래프를 참고하면, 대부분의 불순물은 Liquid(용융된 Si 용액)에 존재하지만 일부는 Solid(Si ingot)에 존재합니다. 이러한 이유로 불순물이 전혀 없는 Intrinsic semiconductor를 제조할 수 없습니다.
 

k₀ > 1이면 불순물이 Liquid보다 Solid로 Segregation되기 때문에 초기에 성장한 Ingot에 불순물 농도가 높다. 반대로 k₀ < 1이면 불순물이 Solid보다 Liquid로 Segregation되기 때문에 초기에 성장한 Ingot에 불순물 농도가 낮다.

Al	As	B	C	Cu	Fe	O	P	Sb
0.002	0.3	0.8	0.007	0.0004	8×10-6	1.25	0.35	0.023

 

CZ method로 성장시킨 Single crystal Si의 주요 잔류 불순물은 산소이다. 산소는 SiO₂ 도가니 벽의 융해로 인해 많은 산소가 실리콘 용액에 녹아 있다. 대부분의 산소는 SiO gas로 외부로 배출되지만 일부는 Si ingot에 잔류하여 불순물로 작용한다. 산소 농도는 보통 10¹⁶~10¹⁸ cm^-3이고, 생산 직후의 웨이퍼 산소 농도는 과포화 상태이다.

 
-잔류 산소의 유해한 측면 : 산소 Complex 형성
→ 400℃ 이상에서 donor 발생 & 공정 중에 결정을 이루어 Gate oxide 특성 열화 발생
-잔류 산소의 유익한 측면 : Interstitial 산소
→ Slip 방지(결함 전파 방해 + 기계적 강도 증가) & Gettering 형성 (Interstital trap으로 작용하여 불순물 포획)
 
반도체공정에서는 웨이퍼에서 잔류하는 산소 농도를 낮추는 것이 중요하다. 방법으로는 Epitaxial growth, Hydrogen(H) annealing, Crystal growing technical development 등이 있다. 그 중 Hydrogen annealing은 수소 가스를 주입하면서 가열하여 웨이퍼 내부에 존재하는 산소와 수소의 결합으로 수증기를 발생시켜 산소를 제거하는 방법이다.
 
② FZ(Floating-Zone) method

Floating Zone method

1. Poly-Si rod를 제조
2. RF heating coil 상하운동을 하면서 Poly-Si이 국부적으로 용융되었다가 냉각이 반복
3. 용융된 Poly-Si은 Si-seed의 결정 방향과 동일한 방향으로 성장하면 냉각
 
FZ method를 통해 성장한 웨이퍼는 CZ method에 비해 높은 순도를 갖지만, 직경이 큰 웨이퍼는 생산이 어렵다. Rod를 성장시키고 RF heating coil로 국부적으로 용융되었을 때, 직경이 크다면 하중을 버티지 못하고 끊어지기 때문이다. 
 
대부분의 웨이퍼는 CZ method를 통해 생산하지만, High performance가 요구되는 반도체(High voltage, High power) 소자 제작에는 FZ method를 일부 사용한다.

	기계적 강도	Internal gettering	직경	생산 단가	불순물 농도
CZ method	High	O	Large	Low	High
FZ method	Low	X	Small	High	Low

 

Ingot 절단과 Wafer 내부의 결함을 제거하는 Gettering 기술에 대해 알아보도록 하겠습니다.

 
<출처>
Q. Chen, Y. Jiang, J. Yan, M. Qin, "Progress in modeling of fluid flow in crystal growth process", Progress in Natural Science, 18 (2008) 1465-1473.
G. Ratnieks, "Modeling of eht Floating Zone Growth of Silicon Single Crystals with Diameter up to 8 Inch", Engineering, (2008).
 

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