[반도체 공정 및 장비] Wafer (웨이퍼 제조)

 

 

 

 

 

그림을 그릴 때, 흰 종이가 필요하듯

반도체를 만들 때에도 흰 종이같은 존재가 필요한데요,

 

반도체에서 그러한 역할을 하는 웨이퍼에 대해 알아보겠습니다.

 

 

 

 

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1. 반도체와 Si (규소)

 

 

 

 

반도체는 전류가 잘 흘러 전원을 끄기 어려운 도체, 전류가 잘 흐르지 않아 전원을 켜기 어려운 부도체에 비해

스위치처럼 만드는 것이 용이하다는 장점이 있는데요,

 

이러한 반도체의 웨이퍼는 Ge, GeAs로 만들어지다가 현재는  Si, 즉 규소로 만들어지고 있습니다.

 

 

 

 

반도체에 Si가 사용되는 이유

 

 

 

1) Insulator 형성에 용이

 

먼저 반도체에서는 소자 간 구분을 위해서, 전자를 가두기 위해서, 다른 도선과 접합되지 않기 위해서,

반도체를 보호하기 위해서 등 다양한 목적에 의해

 

Insulator(절연체)가 주로 필요한데요, 이때 주로 Si를 산화시켜 SiO2를 만들게 됩니다.

 

이러한  SiO2는 비교적 화학적으로 안정된 상태를 유지하고,

불순물을 집어넣을 때 주입되길 원하지 않는 부분을 막는 (Mask) 역할이 가능하다는 장점이 존재합니다.

 

 

 

 

2) 큰 Bandgap

 

반도체는 고온에서도 특성이 쉽게 변하지 않는, 즉 안정적인 동작이 필요합니다.

 

그러기 위해서는 전자가 상온에서도 쉽게 Conduction band로 올라갈 수 없게끔 큰 Bandgap을 가져야하는데,

Si의 경우 비교적 큰 Bandgap을 가지고 있습니다.

 

 

 

 

3) 저렴한 가격

 

Si는 우리가 흔히 볼 수 있는 모래나 석영의 성분 중 하나이기 때문에 상대적으로 구하기 쉬워 저렴한 편입니다.

 

 

 

 

 

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2. Si로 Wafer 만드는 방법

 

 

 

Step 1. Si 획득하기

 

 

 

 

 

 

앞서 말했다시피 우리 주위에서 흔히 볼 수 있는 모래나 석영은 모두 SiO2로 이루어져있는데요,

우리는 Si만 얻어야하기 때문에 산소에 탄소를 섞어주어 열을 가해줍니다.

 

왜냐하면 산소의 경우, Si보다는 탄소와 붙어있는 것을 선호하기 때문에 우리는 순수한 Si를 얻을 수 있게됩니다.

 

 

 

 

Step 2. 불순물 제거하기

 

 

 

 

앞선 단계에 의해 위 화학식처럼 순수한 Si를 얻게 된 것 같지만, 

사실 이것은 MGS(Metallurgical Grade Si)로 불순물이 비교적 많이 섞여있는 상태입니다.

 

이때, 불순물을 제거해주고자 HCl(염화수소)과 반응시켜주게 됩니다.

 

 

 

 

 

Step 3. 단결정 Si인 Ingot (잉곳) 만들기

 

 

 

 

 

반복적으로 불순물이 제거된 웨이퍼는 EGS(Electronic Grade Si, 고순도 다결정 실리콘),

즉 전자제품을 만들 수 있는 높은 순도의 Si가 됩니다.

 

EGS의 경우 순도는 높지만 원자들이 규칙적으로 배열되지 않은 다결정 상태인데요,

빠른 속도로 동작하는 반도체 소자를 만들기 위해서는 단결정 Si로 만들어주는 작업이 필요합니다.

 

이때, 총 2가지 방법이 존재하는데 이에 대해 알아봅시다 !

 

 

 

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1) Czoharlski Growth

 

 

 

 

 

i. 기술 방법

 

 

먼저, 잉곳을 만드는 과정에서 다른 물질이 섞이지 않도록 진공 상태로 만들며 Ar과 같은 불활성 기체를 주입합니다. 

 

 

(a) EGS (다결정 실리콘) 덩어리를 SiO2로 이루어진 도가니에 집어넣습니다. (b) 도가니를 고온에서 가열함으로써 EGS 덩어리를 녹여 액체 상태로 만듭니다. (c) ~ (d) 단결정 Si를 만들기 위해 단결정으로 만들어져있는 Si seed를 녹아있는 액체 표면에 접촉시킵니다. (e) Seed를 서서히 회전시키면서 끌어올리게 되면 Seed에 닿아있는 액체들이 Seed의 결정구조에 따라 배열이 됩니다. (f) ~ (j) 점차 단결정 실리콘으로 식으면서 성장함으로써 잉곳이 완성됩니다.

 

 

 

 

ii. CZ Growth의 잔류 불순물 산소

 

 

CZ Growth의 경우 도가니를 SiO2로 만들기 때문에 가열로 인해 녹다보면 산소가 Si 잉곳에 녹아들어가게 됩니다.

 

 

 

 

 

 

3) 잔류 불순물 산소의 장단점 및 해결방법

 

 

소량으로 존재하는 산소는 웨이퍼가 쪼개지지 않도록 기계적인 강도도 증가시켜주고

주위의 불순물을 끌어들여 소자에 가까워지지 못하도록 합니다.

 

하지만 산소가 덩어리로 존재하게 되면 우리가 원하지 않게 donor의 역할로서 전자들을 발생시키기도 하고,

공정 중 Si와 반응하여 SiO2를 형성함으로써 gate 산화막이 두꺼워진다는 문제점도 발생합니다.

 

따라서 산소 농도를 낮춰야할 때는 웨이퍼 위에 Si를 다시 성장시키거나 (Epitaxy),

웨이퍼에 수소를 가해 산소를 떼어내는 방법 (H Annealing) 등으로 해결합니다.

 

 

 

 

 

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2) Floating Zone (FZ) Growth

 

 

 

 

FZ Growth의 경우 CZ와 달리 EGS 덩어리들을 도가니에 넣지 않고,

공중에 매달아놓은 다음 다결정 Si를 가열할 수 있는 RF Coil을 주위에 놓습니다.

 

그렇게 RF Coil에 의해 녹은 부분은 Seed의 단결정 구조로 성장을 하게 되고,

CZ와 달리 도가니에 담지 않음으로써 산소가 섞여 들어가지 않게 할 수 있습니다.

 

 

 

 

 

위 표와 같은 이유에 따라 대부분 CZ Growth 기술을 통해 웨이퍼를 만드는 편입니다.

 

 

 

 

 

Step 4. Si Ingot(잉곳)에 불순물 섞어주기

 

 

 

사실 잉곳을 만들 때 Si만 넣어서 성장시키는 것이 아니라 불순물도 함께 넣어주는데요,

처음부터 순수한 Si를 만드는 것이 어렵기 때문입니다.

 

이에 처음부터 원하는 양으로 통제하며 불순물을 넣어주게됩니다.

 

또한, 불순물을 넣어 잉곳을 만들게 되면

목적에 따라 n-type, p-type substrate가 되어 공정이 수월하다는 장점이 존재합니다.

 

 

 

x축 : 고체 형성 비율 / y축 : 불순물의 액체 농도 대비 고체로의 농도 변화

 

 

 

불순물에 따라 Seed를 통해 고체가 되면서 원래의 액체로 남아있길 선호하기도 하고,

잉곳에 따라 고체로 남아있길 선호하기도 합니다.

 

 

 

 

 

위 그래프에 나타나있는 변수 k는 불순물의 고체쪽 concentration과 고체쪽 concentration을 비교하여 나타낸 비율입니다.

 

 

 

 

i. k가 1보다 큰 경우

 

 

애초에 불순물이 고체에 있기를 선호하기 때문에

 

시간이 지날수록 액체에 남아있는 불순물의 양 자체가 줄어들어

고체에 섞여 들어가는 불순물 또한 점점 줄어들고 있음을 알 수 있습니다.

 

 

 

ii. k가 1보다 작은 경우

 

반대로 액체에 있기를 선호하기 때문에 

처음 고체화 된 부분보다 나중에 고체화된 부분일수록 불순물의 농도가 증가함을 알 수 있습니다.

 

 

 

 

따라서 똑같은 불순물이 들어있는 잉곳을 만들더라도 성장된 위치에 따라 불순물의 양이 다르기 때문에

원하는 양이 들어있는 부분만 웨이퍼로 사용하게 되고 나머지는 test 웨이퍼로서 사용합니다.

 

 

 

 

 

Step 5. Wafer 가공하기

 

 

 

 

1) 연삭 (Grinding)

 

 

잉곳을 만든 후엔 원하는 웨이퍼의 모양 및 사이즈로 만들기 위해 잉곳 옆면을 다이아몬드 연삭기를 통해 갈아냅니다.

 

 

 

 

2) 절단 (Slicing)

 

 

 

그 후 웨이퍼를 얇게 잘라내는데, 추후 손상으로 인해 두께가 얇아질 수 있으므로 원하는 웨이퍼보다 두껍게 절단합니다.

 

 

 

 

3) 면 손질 (Rounding)

 

 

 

절단에 의해 웨이퍼의 모서리가 날카로워질 수 있는데,

 

 

이런 경우 공정 과정에서 다른 웨이퍼에 영향을 미칠 수 있고

증착 공정에서 측면 부분의 질이 좋지 않을 수 있기 때문에 진행하는 단계입니다.

 

 

 

4) 연마 (Lapping)

 

 

 

 

쉽게 말해 절단으로 거칠게 손상된 표면을 물리적으로 깎아내는 과정인데요,

 

균일하게 갈아주기 위해서 연마제 (Al2O3, 글리세린) 가 놓인 정반 위에

웨이퍼를 뒤집고 누른 상태로 회전을 시켜줍니다.

 

 

 

 

5) 에칭 (Etching)

 

 

연마와 달리 화학적으로 결함이 있는 부분을 깎아내는 작업입니다.

 

이때는 HF(불산), HNO3(질산), CH3COOH(초산)을 섞어서 사용합니다.

 

 

 

 

6) 광택 (Polishing)

 

 

 

연마와 같은 원리로 표면을 거울면처럼 정밀하고 균일하게 갈아줍니다.

 

 

 

 

7) 세정 (Cleaning)

 

 

 

다음 글에서 다룰 세정은 광택 이후의 잔여물들을 제거하는 과정으로

Standard Cleaning 1, Standard Cleaning 2 등의 종류가 존재합니다.

 

 

 

 

 

 

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3. Wafer 결함

 

 

 

Wafer 결함 종류

 

 

 

1) Point Defect (점 결함, 원자 하나 수준의 결함)

 

 

실리콘 원자가 다른 원자로 대체 되거나 (Substitutional Site), 

실리콘 원자가 배열된 사이에 다른 원자가 끼어들어가거나 (Interstitial Site),

실리콘 원자가 비어있거나 (Vacancy),

실리콘 원자가 있어야 할 자리에서 다른 곳으로 옮겨진 결함 (Frenkel Defect) 등을 의미합니다.

 

 

 

2) Line Defect (선 결함, Dislocation)

 

 

원자들이 줄로 배치되어있던 것들 중 선이 빠진 Edge Dislocation, 

원자들 간의 배치가 선 상에서 뒤틀린 상태인 Screw Dislocation이 해당됩니다.

 

 

 

3) Area Defect (면 결함)

 

 

면 수준에서 원자들이 정렬되지 않은 상태를 의미합니다.

 

 

 

4) Volume defect (체적 결함)

 

 

덩어리져서 실리콘 원자들이 빠져있는 Void나

불순물들이 덩어리져서 모여있는 상태인 Precipitation을 의미합니다.

 

 

 

 

Wafer 결함이 소자에 미치는 영향

 

 

 

1) PN junction Leakage Current 발생

 

 

결함으로 인해 PN junction의 Energy Gap 사이에 전자가 존재할 수 있는 State가 발생하게 되면,

 

Valance Band의 전자가 Conduction Band로 올라감으로써

의도치 않은 Electon-hole Pair가 생겨 Leakage Current가 발생할 수 있습니다.

 

 

 

2) Minority Carrier Life Time 감소

 

 

외부에서 주입된 Minority Carrier의 경우 시간이 지나면서 Majority Carrier와 재결합되어 없어지는데,

결함으로 인해 State가 발생하면 재결합 확률이 증가하여 

 

Minority Carrier의 Life Time이 의도한 것 보다 감소하게 됩니다.

 

 

 

3) Gate 산화막의 신뢰성 감소

 

 

MOSFET의 SiO2를 만들 때,

 

Si에 결함이 존재하면 Oxide 두께가 위치마다 달라져

Electric Field 또한 달라지므로 소자의 수명에 영향을 미치게 됩니다.

 

 

 

4) MOSFET 소자의 문턱 전압 변화

 

 

소자를 만들 때, 소자가 작동되기를 원하는 조건이 있는데

 

결함이 있게 되면 의도치 않은 State 발생으로 인해

그 자리에 Electron.이나 Hole이 채워져서 소자의 작동 조건에 영향 줄 수 있습니다.

 

 

 

 

 

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4. Wafer 결함 흡수 (Gettering, 제거) 방법

 

 

 

앞서 살펴봤듯이 웨이퍼에 결함이 발생하게 되면 다양한 부정적 영향들이 존재합니다.

 

따라서 이러한 결함을 흡수 (Gettering, 제거) 하는 방법들이 존재하는데

이를 크게 외인성 Gettering과 진성 Gettering으로 나눌 수 있습니다.

 

 

 

1) 외인성 Gettering

 

 

이는 외부적인 단결정 구조를 파괴함으로써 결함을 가두어놓을 수 있는 trap을 형성하는 방식입니다.

 

 

이를 위해 물리적으로 웨이퍼를 휘어지게 만드는 등 stress를 가하기도 하고,

웨이퍼 뒷면에 불순물을 집어넣어서 가두기도 합니다.

 

 

또, 파장이 짧은 빛(높은 에너지)을 가해주어 격자 구조를 파괴하기도 하고,

웨이퍼 뒷면에 이온주입을 통해 불순물을 넣어줌으로써 다른 불순물과의 충돌로 단결정 구조를 파괴합니다.

 

 

 

 

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2) 진성 Gettering

 

 

이는 웨이퍼 자체에 있는 물질을 활용하는 방식인데,

 

앞서 설명드린 바와 같이 CZ Growth를 통해 성장된 Si 웨이퍼 내에

다수 존재하는 산소를 활용하여 trap을 형성하는 방식입니다.

 

 

먼저 고온 열처리를 통해 웨이퍼 표면의 것들을 방출시키고,

저온에서 장시간 열처리를 함으로써 산소 분자들끼리 웨이퍼 아래쪽에 모이게 되고 이때 trap이 형성됩니다.

 

그 후, 고온에서 장시간 열처리를 함으로써 계속해서 표면에 도달하는 불순물들을

trap에 모아 표면으로 가지 못하게 모아 가둬둡니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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이렇게 반도체를 만들 때 가장 첫번째 단계인 웨이퍼 제조에 대해 알아봤는데요,

다음에는 웨이퍼의 세정 공정에 대해 알아보겠습니다 !