반도체 소자와 공정반도체 소자와 공정반도체 소자와 공정반도체 소자와 공정

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OUTLINE

1. 반도체 소자 1) 바이폴라 (TTL, ECL) 2) 유니폴라 (NMOS, CMOS)

2. 반도체 공정 1) wafer 제조 2) 산화 공정 3) 노광 공정 4) 식각 공정 5) 확산 및 이온주입 공정 6) 박막 증착 공정 7) 테스트 공정 8) 패키징 공정

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1. 반도체 소자

• 반도체란 ?

• 반도체란 도체와 절연체의 중간 성질을 갖는 물질이며 , 순수상태에서는 거의 통하지 않으나 빛 , 열 , 전기를 가하면 쉽게 통하게 되며 조절이 가능하다 .

• 이런 반도체를 가지고 소자를 만드는 것을 반도체 소자라고 한다 .

• Si 반도체의 분류는 크게 바이폴라 IC 와 유니폴라 IC의 구분으로 한다 .

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1) 바이폴라 IC(Bipolar IC)

• 바이폴라 IC 란 전자와 정공의 이동이 확산에 따라 전류를 흐르게 하는 것으로 극이 둘이기 때문에 바이폴라 ( 양극성 ) 라 부른다 .

• 소수 캐리어와 다수 캐리어에 의해 작동• 동작의 기본이 되는 베이스 (base)• 소수 캐리어를 주입하는 에미터 (Emitter)• 베이스 (base) 로 부터 소수 캐리어를 끌어내는 콜랙터 (coll

ector) 로 구성된다 . P PNEmitter Collector

Base

< PNP 의 구조 >

순방향 역방향

전류의 이동방향

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① TTL(Transistor Transistor Logic)

• 트랜지스터로 구성되어 있는 회로로서 1964 년 TI 사에 의해 발표되었다 .

• 고속응답과 사용이 간편하다 .( 전파지연시간 8ns/ 게이트 )

• 소비전력이 작다• 집적도가 높다 .• 잡음의 여유 (noise margi

n) 가 작다 .< TTL NAND 게이트의 기본구조 >

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② ECL(Emitter Coupled Logic)

• ECL 은 TTL 보다 고속이기에 고속성이 요구되는 회로에 이용되고 있다 .

• 소비전력이 크다 .• ECL 의 기본회로는

차동증폭기이며 , 트랜지스터를 포화시키지 않고 이용하는 것이 특징이다 .

• 높은 fan-out 이 가능하다 .• 다른 논리 회로와 혼용이

어렵다 .

< ECL OR/NOT 게이트의 기본구조 >

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2) 유니폴라 IC(Uni-polar IC)

• 유니폴라 IC 란 전자와 정공 중 하나만 사용하기 때문에 유니폴라 ( 단극성 ) 이라고 부른다 .

• 유니폴라 IC 에는 JFET 와 MOS FET 가 있다 .• 전극 S 는 캐리어의 공급원으로 소스 (source)• 전극 D 는 캐리어를 내보내는 드레인 (drain)• 전극 G 는 소스와 드레인 사이의 전류를 제어하는

게이트 (gate)• 소스 - 드레인 사이의 전류 통로는 채널

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① NMOS(N-channel MOSFET)

• N 채널 MOSFET 로 구성• P 형 기판에 전류 통로를 흐르는 캐리어가 전자인 반도체• TTL 에 비해 속도가 느리며 전력소모가 크다 .• 산화막에 의해 전류 통로로부터 절연된 게이트 전극에 전압을

인가하여 , 소스 전극과 드레인 전극 간에 전류 통로를 제어함으로써 동작하는 MOS 트랜지스터

P-type substrate

n+ n+Channel

Drain(D)Source(S)

Gate(G)

Oxide(Si02) Metal

electron

<NMOS 의 단면 >

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② CMOS(complementary MOS)

• PMOS 와 NMOS 로 구성 , 상호보완적으로 동작• 속도는 느리지만 낮은 소비전력을 가진다 .• 잡음 여유도가 크며 게이트의 집적도가 높다 .• 저전압 동작이 용이 하지만 제조공정이 복잡하다 .• 온도 안정성이 우수하며 TTL 과 병용 가능하다 .

P-type substrate

n+ n+

Drain(D)Source(S)

Gate(G)

Oxide(Si02) Metal

Drain(D)Source(S)

Gate(G)

Oxide(Si02) Metal

<CMOS 의 단면 >

n-wellp+ p+

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2. 반도체 공정

• 반도체 제조 공정

wafer 제조 산화

식각

노광

확산

패키징테스트

증착

완제품

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1) 웨이퍼 제조

• 규암을 다양한 형태의 탄소와 함께 노에서 가열

• 순도가 높고 전자급 수준의 다결정 실리콘 EGS 를 만든다 .

• Czochralski 공법등으로 Ingot 을 형성 이때 원하는 dopant 에 따라 웨이퍼의 종류를 결정

• Ingot 을 절단하여 wafer 성형

StartingMaterial

Polycrystallinesemiconductor

Wafer

Single crystal

<Czochralski 법으로 만들어진 Ingot>< 잘려진 wafer>

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2) 산화 공정• 고온 (800~1200℃) 에서

산소나 수증기를 wafer표면과 화학반응시켜 얇고 균일한 실리콘 산화막 (SiO2) 을 형성시키는 공정을 말한다

• 건식 Si(solid)+O2(gas) = SiO2(so

lid)• 습식 Si(solid)+2H2O(gas) = SiO2

(solid)+2H2(gas)

SiO2Original Si surface

Silicon substrate

< 열 산화막에 의한 실리콘 산화막의 성장 >

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3) 노광 공정

• 광 노광 (Photolithography) 은 반도체 wafer 표면을 덮고 있는 감광제 (Photoresist) 라 부르는 얇은 감광성 물질에 마스크 상의 기하학적인 형태의 패턴을 전사하는 공정이다 .

• 원하는 패턴의 전사에 따라 양성 감광제와 음성 감광제를 사용한다 .

• 노광 공정 시 일반적으로 클래스 10 을 유지

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4) 식각 공정

• 식각 공정은 패턴이 없는 부분을 선택적으로 제거하는 것이다 .( 습식식각과 건식식각 )

• 습식 화학 식각 1) wafer 표면의 물질과 화학적 반응을 일으키는 용액을 이용하여 식각 2) 반도체 공정에서 널리 사용되며 빠른 패턴 전사를 위해 사용된다 . 그러나 마스크 바로 아래 층을 깎아내기 때문에 ( 등방성 ) 식각표면에서 분해능이 떨어진다 .• 건식 식각 1) 플라즈마를 이용하여 wafer 표면을 물리적으로 식각 2) 식각속도가 빠르며 높은 재생 , 패턴 전사를 얻기 위해 사용된다 .

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5) 확산공정과 이온주입공정

• 반도체 기판 내에 조절이 가능한 양의 불순물 dopant 를 투입하는 것이다 .

• 확산 공정이란 ? 고온의 석영 튜브 노 (furnace) 에 반도체 wafer 를 넣고 원하는 dopant 가 포함된 혼합가스를 통과 시킴으로써 이루어 진다 . 속도는 빠르나 원하는 분포 범위 만큼 doping 하는 것이 어렵다 .

<Diffusion furnace >

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5) 확산공정과 이온주입공정• 이온 주입공정이란 ? 1) 이온들은 이온 빔을 이용하여 반도체 속에 주입된다 . 장점은 불순물 양의 정확한 제어 , 재연하기 편한 형태 , 그리고 확산 공정과 비교했을 때 낮은 공정 온도이다 . 2) 그러나 이온 주입시 격자 손상을 입기 때문에 열처리 가 필요하다 .• 이온 채널링 1) 이온 주입시 target 의 결정구조에 따라서 이온의 진행 방향이 결정 내부의 channel 을 따라서 이동한다 . 2) 이온 채널링에 의해 원하는 범위만큼 이온 주입이 어렵 다 .

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6) 박막 증착 공정

• 에피텍시얼 성장에 사용하는 기술• 화학 기상 증착 (CVD:Chemical Vapor Deposition) 1) GAS 간의 화학반응으로 형성된 입자들을 wafer 표면 에 증착하여 절연막이나 전도성막을 형성시키는 공정

성장속도가 빠르다 .• 분자 빔 에피텍시얼 (MBE:Molecular beam epitaxy)

1) MBE 는 초고 진공 상태에서 결정 표면에 분자 또는 원 자의 하나 혹은 그 이상의 열 빔 (thermal beam) 반응 을 포함하는 에피택시얼 공정이다 . 2) 성장속도는 느리지만 정확히 제작할 수 있다 .

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6) 박막 증착 공정

• 금속배선 (Metallization)

wafer 표면에 형성된 각 회로를 Al, Cu 등으로 연결시키는 공정이다 .

• 물리 기상 증착법 (PVD) 전자빔이나 플라즈마를 이용하여 증발된 금속원자를 wafer 표면에 증착시키는 기술이다 .

• 화학 기상 증착법 (CVD) CVD는 균일하고 좋은 단차 피복성을 갖는 코팅을 제공하고 한번에 많은 wafer 를 증착할 수 있기 때문에 금속화 공정에 많이 사용한다 .

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7) 테스트 공정• wafer 테스트

wafer 테스트의 기본 목적은 다이를 패키징 상태로 만들기 이전에 불량 다이를 검출하여 후속공정으로 연결되는 것을 방지하는 것이다 .

• 패키지 테스트 패키징이 완료된 후에 테스트 하는 것으로 제품의 불량여부를 판별하는 가부 (go/no-go)테스트와 메모리의 성능을 정확하게 판별하는데 목적이 있는 특성테스트가 있다 .

<DM3500>

<DM1210>

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8) 패키징 공정

• 패키징 (packaging) 이란 IC 와 전기 장치를 연결해 주는 기술과 고정의 세트라고 할 수 있다 .

• 칩 집착 (Die Bonding) 테스트를 거친 IC칩들을 자른 후 칩을 리드 프레임 위에 붙이는 공정

• 금속연결 (Wire Bonding) 칩 내부의 외부연결단자와 리드프레임을 가는 금선으로 연결하는 공정

• 성형 (Molding) 연결 금선 부분을 보호하기 위해 화학수지로 밀봉해 주는 공정으로 반도체 소자가 최종적으로 완성된다 .

<Wire Bonding SEM 사진 >

<Wire Bonding 사진 >

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