잉곳, 반도체, 박막 제조 공정

소개글

잉곳, 반도체, 박막 제조 공정에 대한 보고서 자료입니다.

목차

실리콘 단결정(single crystal)
- 초크랄스키법(CZ법)
- 플롯존법(Float Zone Method, FZ)
* 그 외의 결정 성장법

반도체 제조 기술
1. 워이퍼 세척
2. 웨이퍼 표면의 오염원과 오염원의 검출
3. 웨이퍼 세척 과정
4. 에칭
5. 습식 식각
6. 실리콘의 습식 식각
7. 열산화막의 습식 식각.
8. 질화 실리콘의 습식 식각
9. 건식 식각
10. 이온주입 (Ion Implantation)
11. 이온 주입의 특징 및 응용
12. 손상(Damage) 및 어닐링(Annealing)

박막 증착의 기술 및 공정
- 개요
1. 기화법 (Evaporation)
2. 화학 기상 증착(Chemical Vapor Deposition)
(1) CVD 장치
(2) 박막 성장 메커니즘
3. 스퍼터 증착(Sputter deposition)
(1) 스퍼터링의 정의
(2).스퍼터링의 종류

본문내용

계크기 이상이 되는 조건에서 핵이 성장하기 시작하여 박막이 형성되기 시작한다. 이러한 박막의 형성은 근본적인 측면에서 고찰하자면 기판 표면과 기상으로부터 공급되는 기상원료의 화학반응으로서 반응의 생성물이 고체상인 화학반응에 의한 것이다. 이러한 표면 반응으로 인해 생길 수 있는 부생성물은 기판 표면으로부터 탈착하여 경계층 밖으로 확산이 되면서 제거된다.
CVD를 사용하여 박막을 성장시킬 경우 가장 간단하게 반응의 차수를 일차라고 가정을 하면 반응 메카니즘은 아래와 같이 간단하게 나타낼 수 있다.
AB(g) -----> A(s) + B(g)
그림 2에 기체 상태인 AB의 전형적인 농도 분포를 나타내었다. 벌크(bulk) 상태의 기체로부터 박막이 성장되는 표면까지의 전달 속도 F1 및 박막 성장을 위해 AB 기체의 소모되는 속도인 표면 반응 속도 F2는 다음과 같이 표현할 수 있다.
여기에서 CG는 기체상에서의 AB의 농도, CS는 기판 표면에서의 AB의 농도를 나타내며 ks는 표면반응의 속도상수이다. 또한 D는 확산계수, 그리고 hG는 물질전달계수를 나타낸다. 정상상태에서는 기판표면에서의 반응물의 축적이 없어야 하기 때문에 의 조건이 성립되므로 다음의 식이 얻어질 수 있다.
박막의 성장속도는 r = F/N 식으로 나타낼 수 있으며 여기서 N은 박막의 단위 체적당 포함된 A원자의 수이다. 그러므로 위의 식에서 보면 성장 속도가 기상에서의 AB의 농도에 비례한다는 것을 알 수 있다. 또한 이 식은 성장 속도가 hG 나 kS 가운데 더 작은 것에 의해 좌우될 수 있다는 것을 보여준다.
그림 2. 기체-고체 계면에서의 물질전달
및 표면반응
그림 3. 반응 온도와 성장 속도의 관계 그래프
즉, 물질전달계수와 반응속도상수의 크기에 따라 다음과 같은 관계가 예상될 수 있으므로 반응의 온도와 성장속도의 그래프는 두 가지의 영역으로 다음과 같이 구분되어 나타난다. 즉,
hG kS 일 때 : surface reaction limited
hG kS 일 때 : diffusion limited
일반적으로 표면 반응 속도는 다음과 같이 Arrhenius식으로 표시할 수 있으므로
where EA : activation energy
높은 온도의 표면반응이 율속인 영역의 기울기가 표면반응의 활성화에너지와 관계가 있음을 알 수 있다. 성장 속도와 반응 온도와의 관계를 그림 3에 나타내었으며 이러한 그래프를 Arrhenius plot이라고 부른다.
3. 스퍼터 증착(Sputter deposition)
(1) 스퍼터링의 정의
스퍼터링은 높은 에너지를 갖는 미립자들에 의한 충돌에 의해 타겟(target)이라고 불리워지는 물질의 표면으로부터 원자들이 떨어져나오는 메커니즘으로 설명되어질 수 있다. 이 증착 방법은 Al, Al 합금, Pt, Au, Ti:W, 그리고 W과 같은 금속 박막의 증착에 많이 사용되며 이 외에도 SiO2와 같은 비전도성 물질의 증착에도 사용할 수 있다. 이러한 스퍼터링의 장단점을 표 1에 나타내었다.
일반적으로 스퍼터 공정은 먼저 이온들이 생성되어 타겟쪽으로 이동을 하게되고 이동한 이온들은 타겟에 충격을 가하게 되며, 이러한 작용을 받은 타겟의 원자들이 타겟으로부터 떨어져 나와 기판쪽으로 이동하게 된다. 이렇게 이동한 원자들은 기판위에서 응축하게되고 결국에는 얇은 박막을 형성하게 되는데 위와 같은 공정을 그림 4에 나타내었다.
장점
단점
a. 넓은 면적의 target을 사용할 경우 wafer 전 면적에 걸친 고른 박막의 증착이 가능.
b. 박막의 두께 조절이 용이.
c. 합금 물질의 조성은 evaporation에 의해 제조된 박막보다 더 정확하게 조절이 가능.
d. 합금 물질을 증착하기 위한 많은 target 물질들이 있음
a. 높은 설치 비용.
b. 몇몇 물질의 경우(SiO2) 증착 속도 가 매우 느림.
c. 유기물 고체인 경우 ionic
bombarment를 저해시키거나
품질이 떨어짐.
d. 공정이 저진공상태에서 수행되므로 다른 불순물에 의한 오염 가능성.
표 1. 스퍼터링의 장단점
(2).스퍼터링의 종류
(2-1) 직류 인가 스퍼터링(D.C Glow Discharge sputtering)
가장 간단한 스퍼터링 구조로서 전도성 물질의 스퍼터링에 사용된다. 이 구조의 가장 큰 단점으로는 비전도성 물질의 스퍼터링이 불가능하다는 것이지만 가장 일반적으로 손쉽게 사용할 수 있다는 것이 장점이다. 또한 이 장치는 반응성 스퍼터링(reactive sputtering)에는 적합하지 않은데, 특히 타겟 표면에 절연물을 형성함으로써 타겟의 오염을 유발시킬 수 있기 때문이다. 전형적인 직류 인가 스퍼터링의 구조를 그림 5에 나타내었다.
그림 4. 스퍼터링의 원리
(2-2) 라디오 주파 스퍼터링(radio frequency-sputtering)
직류 인가 스퍼터링의 가장 큰 단점은 절연물질의 증착이 불가능하다는데 있다. 이러한 절연물질들을 스퍼터링에 의해 박막을 형성시키기 위해서는 직류 전원이 아닌 다른 전원를 사용하여야 하는데, 교류 전압을 사용하는 경우 이러한 절연 물질을 이용한 박막의 증착이 가능하게 된다. 이와 같은 라디오 주파 스퍼터링의 계략도를 그림 6에 나타내었다.
그림 5. 직류 인가 스퍼터링 시스템
그림 6. 라디오 주파 스퍼터링 시스템
* 참고문헌
1. Stanley Wolf , Richard N. Tauber, Silicon Processing for the VLSI Era,Lattice Press 1986 , pp.283
2. Stanley Middleman, K.Hochberg , Process Engineering Analysis in Semiconductor Device Fabrication , Mc Graw-Hill,Inc., 1995, pp595
3. 윤현민, 이형기 , 반도체 공학, 복두출판사, 1995, pp.218
4. 김형열, 반도체 공정 및 측정 , 전자자료사, 1995, pp.123
5. 이종덕, 실리콘집적회로 공정기술, 대영사, 1997, pp.149
6.반도체 산업 및 반도체 재료 산업의 실태와 전망, 데이콤 산업연구소,1998,pp.117

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