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반도체 제조 공정

반도체 제조 공정. 2002 . 8 . 16. MAI Lab. 박 재 원. MAI Lab Seminar. Contents. 1. 반도체 제조 공정 (Overview) . 2. 주요공정의 이해 . 3. 최근 동향 및 이슈. 4. 결론 및 토의. MAI Lab Seminar. 반도체 제조 공정. MAI Lab Seminar. Overview. Logic Design. Wafer Preparation. Circuit Design. Mask(Reticle). Wafer Fabrication.

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반도체 제조 공정

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Presentation Transcript

  1. 반도체 제조 공정 2002 . 8 . 16 MAI Lab 박 재 원 MAI Lab Seminar MAI Lab Seminar

  2. Contents 1. 반도체 제조 공정 (Overview) 2. 주요공정의 이해 3. 최근 동향 및 이슈 4. 결론 및 토의 MAI Lab Seminar MAI Lab Seminar

  3. 반도체 제조 공정 MAI Lab Seminar MAI Lab Seminar

  4. Overview Logic Design Wafer Preparation Circuit Design Mask(Reticle) Wafer Fabrication Assembly Test MAI Lab Seminar

  5. Overview FAB 공정 Logic 및 회로 설계 Mask 제조 규소봉 절단 웨이퍼 표면 연마 단결정 성장 MAI Lab Seminar

  6. Overview Oxidation PR 도포 Exposure Development Etching 조립 공정 Metallization CVD Ion 주입 MAI Lab Seminar

  7. Overview Test 및 선별 Sawing Chip 부착 Final test molding Wire bonding MAI Lab Seminar

  8. 2. 주요공정의 이해 MAI Lab Seminar MAI Lab Seminar

  9. Wafer Preparation • 웨어퍼의 분류 • Dopant 종류에 따라 • - N-Type : 5가 원소(P, Sb) 를 Dopant로 사용, 과잉전자 발생 • -P-Type : 3가 원소(B) 를 Dopant로 사용, Hole(정공) 발생 • 결정성장 방향에 따라 • -100 • -111 • 웨이퍼의 직경에 따라 • -3인치, 4인치, 5인치, 6인치(150mm), 8인치(200mm), 12인치(300mm) MAI Lab Seminar

  10. Wafer Preparation donor n-type acceptor p-type MAI Lab Seminar

  11. Wafer Preparation Crystal Growing 균일성, 결정 결함, 불순물, 장치 개발 Slicing 휘어짐/평탄도, 생산성, 청정도 Cleaning Edge Profiling 청정도, 균일성 Lapping 휘어짐/평탄도, 자동화, 생산성, 청정도 Laser Marking Cleaning Etching Cleaning Heat Treatment Cleaning Polishing 평탄도, 생산성, Damage, 자동화 Cleaning Inspection Packing MAI Lab Seminar

  12. Wafer Preparation Preparation Melting Body growth Cool-down Ingot removal Evaluation MAI Lab Seminar

  13. Wafer Preparation Slicing Lapping Etching Heat Treatment Polishing MAI Lab Seminar

  14. Wafer Preparation Epitaxial Processing Cleaning Inspection Packing MAI Lab Seminar

  15. Wafer Preparation Crystal Growing Czochralski Method (CZ) Floating Zone Method (FZ) MAI Lab Seminar

  16. Wafer Preparation CZ법에 의한 silicon 단결정 성장 공정 Stacking 다결정 실리콘 적층 (Crucible Size, 다결정 양) Pump-Down 대기압  준진공 (Final Pressure, Leak Rate) Melting 고상  액상 (inert gas flow rate, crucible 회전수) Dipping 적절한 초기온도 설정 (표면 온도, Seed/crucible 회전수) Necking 열충격에 의한 전위결함 제거 (Neck 길이/직경, 인상속도) Shouldering Neck직경에서 목적직경까지 성장 (직경성장 및 인상 속도) Body Growth 일정한 직경을 목적길이까지 유지 (인상속도, 회전수) Tailing 열충격에 의한 전위결함 제어 (최종 tail 길이, 인상 속도) Cool-Down 상온으로 냉각 (냉각 방법/시간) MAI Lab Seminar

  17. Wafer Preparation grinding 성장된 인곳을 가지고 결점이 있거나 크기가 작은 부분을 잘라내고, 원하는 둥근 모양의 원기둥을 만들기 위해 다이아몬드 연삭기로 깍아낸다. slicing 원통형의 인곳으로부터 웨이퍼를 잘라낸다. 이때는 앞으로의 공정에서 두께의 손실이 심하기 때문에 실제 사용하는 웨이퍼 보다 훨씬 두껍게 잘라내야 한다. 절단시에도 역시 다이아몬드 숫돌을 이용하여 잘라내는 것이 대표적인 방법이다. MAI Lab Seminar

  18. Wafer Preparation lapping 연마는 평탄도가 좋은 정반에 웨이퍼를 꽉 누른후 연마제를 가하면서 양쪽을 상대 운동시켜 웨이퍼의 파편을 조금씩 제거한다. 연마제로는 일반적으로 Al2O3과 글리세린(glycerine)을 섞어 사용하며 단계가 올라갈수록 더욱 미세한 연마제를 사용한다. rounding 면손질은 웨이퍼의 끝을 둥그렇게 갈아서 공정중에 다른 웨이퍼를 할퀴거나 증착시에 웨이퍼 가장자리에 박막이 생기는 것을 방지하기 위해 하며 다이아몬드 고정 powder를 이용한다. MAI Lab Seminar

  19. Wafer Preparation etching 앞 공정상에서 결함이 발생하는 표면층과 웨이퍼의 끝부분을 제거하기 위해 화학적으로 에칭 한다. 에칭액으로는 HF-HNO3-CH3 COOH 혼합 용액을 일반적으로 사용한다. polishing 가공된 웨이퍼를 평탄도를 유지 하면서 면정밀도를 상승시켜 거울면 상태로 만들기 위해 CMP를 한다. 평탄도가 좋은 연마반 위에 연질의 연마제를 붓고 웨이퍼에 일정한 하중을 가하면서 연마한다. 이때는 연마선반, 연마제 등에 이물질이 들어가지 않도록 관리하는것이 중요하다. MAI Lab Seminar

  20. Wafer Preparation • Wafer-related Issues • Wafer Geometry  Flatness, Alignment, Distortion • Wafer Cleanliness  Defect Density Reduction, Particle Size Consideration • Surface Chemistry & Defects  Oxidation, Metals, Cleaning • Crystal Defects  Stacking Faults, Dopant Uniformity, Metal Contamination MAI Lab Seminar

  21. Lithography Pattern Preparation Photoresist Coating Stepper Exposure Develop & Bake Acid Etch MAI Lab Seminar

  22. Lithography Positive Resist SiO2 Resist SiO2 SiO2 Si Si Si Negative Resist SiO2 Mask SiO2 SiO2 Si Si Si MAI Lab Seminar

  23. Lithography Lithographic masking steps to produce Transistor MAI Lab Seminar

  24. Lithography Resist Processing Coating Parameter : • Spin speed & time • Dispense volume • Resist temperature • Acceleration speed • Viscosity • Exhaust conditions MAI Lab Seminar

  25. Lithography Classification • Exposing area solubility : - Positive & Negative • Wavelength : - g-line (436nm) 일반 수은등 - i-line (365nm) - KrF (248nm) Laser type - ArF (193nm) MAI Lab Seminar

  26. Lithography Pattern Preparation • Reticle은 실제 크기의 1 ~ 10 배 • Laser Pattern Generator • E-Beam Pattern Generator MAI Lab Seminar

  27. Lithography Proximity & Contact Lithography Projection Lithography illumination light Condensor lens illumination light Mask pattern mask pattern Diffracted light gap Projection lens photoresist q wafer Photoresist Wafer MAI Lab Seminar

  28. Lithography Conventional mask PSM(Phase Shift Mask) E-field at mask E-field at wafer Intensity at wafer phase edge PSM Alternating PSM MAI Lab Seminar

  29. Lithography Next Generation of Lithography Technology • X-Ray Lithography Resolution 좋지만, 비율 적용 불가 Resolution 좋지만 throughput 매우 낮다 • E-Beam Directing Lithography E-beam + Mask • SCALPEL Lithography Throughput, resolution 좋지만, Mirror 만들기 어렵다 (현실성 가장 높다) • EUV Lithography 현실성 가장 적다 • Ion Beam Lithography MAI Lab Seminar

  30. Lithography E-Beam Directing Writing Lithography Electron source Illumination lens 1st aperture Beam blanker Condensor lens 2nd aperture Cell mask Beam Deflector Objective lens Wafer stage * Very Low throughput issue MAI Lab Seminar

  31. Technology 248 193 157 EUV Optical Form Resist Reticle Optical Materials Optical Coatings Optical Surfacing Stages Alignment Light Source Focus Technology Available Evolutionary Development R&D Requred Lithography Key Technologies of Optical Lithography MAI Lab Seminar

  32. Film Deposition Deposition Source • Heat • Plasma • hv (광원) For What ? • Dielectrics • Metal Definition • CVD : Chemical Vapor Deposition • ALD : Atomic Layer Deposition • High-k : High Dielectric Constant • Low-k : Low Dielectric Constant • PVD : Physical Vapor Deposition (Sputter) MAI Lab Seminar

  33. Film Deposition CVD Model PVD Model ALD Model MAI Lab Seminar

  34. Film Deposition Deposition Application • STI (Shallow Trench Isolation)  Junction Isolation • Gate : Diode Tune On/Off • PMD (Pre Metallization Dielectric)  Wire & Cap. Str. Support • MC (Metal Contact)  Power Supply to Tr & Cap. • IMD (Inter Metal Dielectric)  Wire Support • Passivation : Protect Structure MAI Lab Seminar

  35. Film Deposition High-k Material • Gate • Ultrathin SiO2 • Dielectric constant > 15 • Capacitor • Reduce Capacitor Height • High Cell Capacitance Low-k Material • Decrease RC Delay • Low Power Consumption • 열과 물에 약함  플라즈마 • Reduce Cross-Talk Noise • Reduce the Number of Metal Layer MAI Lab Seminar

  36. Metallization • Metallization = Metal interconnection • Requirements of Interconnect Materials • low resistivity • resistance to electromigration • good adhesion to adjacent layers • stability of mechanical and electrical properties • corrosion resistance • non – contaminants to device and equipment • controllable deposition and patterning methods MAI Lab Seminar

  37. Metallization MC and Via Structure on Device MAI Lab Seminar

  38. Metallization Schematic Diagram of Process Feature in DRAM MAI Lab Seminar

  39. Metallization Schematic Diagram of Process Feature in Logic Device MAI Lab Seminar

  40. Metallization Metal Deposition Technology MAI Lab Seminar

  41. Metallization Schematic Diagram of Sputtering MAI Lab Seminar

  42. Metallization Schematic Diagram of CVD Chamber MAI Lab Seminar

  43. Metallization Two Step Al Application (Cold/Hot Deposition) MAI Lab Seminar

  44. Metallization CVD W Applications MAI Lab Seminar

  45. Metallization Cu Interconnection • Very Low Resistivity • Good Electromigration & Stressmigration • Fast Diffusion in Si & Dielectric  Need Diffusion Barrier • Oxidation & Corrosion • Etching Problem (dry etching 어려움)  CMP, Damascene 해야 함 MAI Lab Seminar

  46. Metallization Process Sequence of Cu Dual-Damascene MAI Lab Seminar

  47. Cleaning & CMP What is Cleaning ? • Definition : removing of unwanted materials or contaminants from wafer surfaces • Wafer cleaning steps are the most widely used and repeated process steps in manufacturing. • Increased chip density requires more wafer cleaning steps. Typical Defects • Bridges • Gate oxide 불량 • Photo Masking MAI Lab Seminar

  48. Cleaning & CMP Requirements for Ultraclean Wafer Surface • Particle Free • Metallic Contamination Free • Organic Contamination Free • Moisture Molecule Free • Native Oxide Free • Surface Microroughness Free • Charge-Up Free MAI Lab Seminar

  49. Cleaning & CMP General Cleaning Method Wet Cleaning Dip 가장 널리 쓰이는 방식 Spray 회전하는 wafer에 chemical 분사 Compact, Safe, Low cost Chemical의 vapor 이용 Dry Cleaning Vapor Gas를 UV로 여기시켜 반응성 높여 사용 UV excited Plasma를 이용하여 radical, 반응성 gas 형성 후 세정 Plasma Brush Cleaning Roll Brush 일반적으로 Post-CMP 세정에 사용 강한 Particle 세정력 보유 Spin Scrubbing 주로 CVD, Metal Depo 후 세정에 사용 MAI Lab Seminar

  50. Cleaning & CMP What is CMP ? • Definition - Chemical Mechanical Polishing - 화학적인 반응과 기계적인 힘을 이용하여 웨이퍼 표면을 평탄하게 연마하는 공정 • CMP의 구성요소 - wafer carrier, polishing pad, slurry MAI Lab Seminar

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