반도체 공정 흐름

물리나 수학을 전혀 공부하지 않았더라도 이해할 수 있지만, 너무 단순해서 초보자에게 적합합니다. CMOS에 대해 더 자세히 알고 싶다면 이 호의 내용을 꼭 읽어야 합니다. 공정 흐름(즉, 다이오드의 생산 공정)을 이해해야 다음 내용을 이해할 수 있기 때문입니다. 이번 호에서는 파운드리 회사에서 이 CMOS가 어떻게 생산되는지 알아보겠습니다(비첨단 공정을 예로 들면, 고급 공정의 CMOS는 구조와 생산 원리가 다릅니다).

우선, 파운드리가 공급업체로부터 공급받는 웨이퍼(실리콘 웨이퍼공급업체)는 반경 200mm로 하나씩 있습니다(8인치공장) 또는 300mm(12인치공장). 아래 그림에서 볼 수 있듯이 실제로는 기판이라고 부르는 커다란 케이크와 비슷합니다.

하지만 이렇게 보는 것은 우리에게 편리하지 않습니다. 아래에서 위로, 그리고 단면도를 보면 다음 그림과 같습니다.

다음으로 CMOS 모델이 어떻게 보이는지 살펴보겠습니다. 실제 공정에는 수천 단계가 필요하므로, 여기서는 가장 간단한 8인치 웨이퍼의 주요 단계에 대해 설명하겠습니다.

 

 

우물 만들기 및 반전층:

즉, 이온 주입(Ion Implantation, 이하 "Im"이라고 함)을 통해 기판에 웰을 주입합니다. NMOS를 만들려면 P형 웰을 주입해야 하고, PMOS를 만들려면 N형 웰을 주입해야 합니다. 편의상 NMOS를 예로 들어 보겠습니다. 이온 주입 장비는 기판에 특정 깊이까지 주입할 P형 소자를 주입한 후, 퍼니스 튜브에서 고온으로 가열하여 이온을 활성화시키고 주변으로 확산시킵니다. 이렇게 웰이 제작됩니다. 제작이 완료된 후의 모습은 다음과 같습니다.

웰(well)을 만든 후에는 채널 전류와 문턱 전압의 크기를 제어하는 ​​데 목적이 있는 다른 이온 주입 단계가 있습니다. 이를 반전층이라고 부를 수 있습니다. NMOS를 만들려면 반전층에 P형 이온을 주입하고, PMOS를 만들려면 반전층에 N형 이온을 주입합니다. 이온 주입 후의 모델은 다음과 같습니다.

여기에는 에너지, 각도, 이온 주입 시 이온 농도 등 이번 호에 포함되지 않은 많은 내용이 있는데, 이런 내용을 알고 있다면 당신은 전문가일 것이고, 이를 배울 방법이 있을 것이라고 생각합니다.

 

SiO2 만들기:

이산화규소(SiO2, 이하 산화물)는 나중에 제조됩니다. CMOS 제조 공정에는 산화물을 만드는 여러 방법이 있습니다. 여기서는 SiO2를 게이트 아래에 사용하며, SiO2의 두께는 문턱 전압의 크기와 채널 전류의 크기에 직접적인 영향을 미칩니다. 따라서 대부분의 파운드리에서는 이 단계에서 최고 품질, 가장 정밀한 두께 제어, 그리고 가장 균일한 두께를 가진 퍼니스 튜브 산화법을 선택합니다. 실제로 이 방법은 매우 간단합니다. 산소가 있는 퍼니스 튜브에서 고온을 사용하여 산소와 실리콘을 화학 반응시켜 SiO2를 생성합니다. 이렇게 하면 아래 그림과 같이 실리콘 표면에 얇은 SiO2 층이 형성됩니다.

물론 여기에는 필요한 온도, 필요한 산소 농도, 고온이 필요한 시간 등과 같은 구체적인 정보도 많이 있습니다. 현재 우리가 고려하고 있는 내용은 이러한 내용이 아니며, 너무 구체적입니다.

게이트 끝단 폴리의 형성:

하지만 아직 끝나지 않았습니다. SiO2는 실과 같을 뿐이고, 실제 게이트(Poly)는 아직 시작되지 않았습니다. 따라서 다음 단계는 SiO2 위에 폴리실리콘 층을 놓는 것입니다(폴리실리콘도 단일 실리콘 원소로 구성되지만 격자 배열이 다릅니다. 기판은 단결정 실리콘을 사용하고 게이트는 폴리실리콘을 사용하는 이유는 묻지 마세요. "반도체 물리학"이라는 책이 있습니다. 배울 수 있습니다. 창피하죠~). 폴리실리콘도 CMOS에서 매우 중요한 연결 고리이지만, 폴리의 구성 요소는 Si이고 SiO2를 성장시키는 것처럼 Si 기판과 직접 반응하여 생성할 수 없습니다. 이를 위해서는 진공 상태에서 화학적으로 반응하여 생성된 물체를 웨이퍼에 침전시키는 전설적인 CVD(Chemical Vapor Deposition)가 필요합니다. 이 예에서 생성된 물질은 폴리실리콘이고, 웨이퍼에 침전됩니다(여기서 폴리는 CVD에 의해 퍼니스 튜브에서 생성되므로 폴리의 생성은 순수한 CVD 기계에 의해 수행되지 않는다고 말해야 합니다).

하지만 이 방법으로 형성된 폴리실리콘은 웨이퍼 전체에 침전되며, 침전 후의 모습은 다음과 같습니다.

 

Poly 및 SiO2 노출:

이 단계에서는 우리가 원하는 수직 구조가 이미 형성되어 있습니다. 상단에는 폴리실리콘, 하단에는 SiO2, 하단에는 기판이 있습니다. 이제 전체 웨이퍼가 이와 같으므로, 특정 위치만 "수도꼭지" 구조로 만들면 됩니다. 따라서 전체 공정에서 가장 중요한 단계인 노광이 있습니다.
먼저 웨이퍼 표면에 포토레지스트 층을 펴면 이렇게 됩니다.

그런 다음, 정의된 마스크(마스크에 회로 패턴이 정의되어 있음)를 그 위에 놓고, 마지막으로 특정 파장의 빛을 조사합니다. 조사된 영역에서 포토레지스트가 활성화됩니다. 마스크에 의해 가려진 영역은 광원에 의해 조사되지 않으므로, 이 포토레지스트는 활성화되지 않습니다.

활성화된 포토레지스트는 특정 화학 액체에 의해 쉽게 씻겨 나가는 반면, 활성화되지 않은 포토레지스트는 씻겨 나갈 수 없기 때문에, 조사 후 특정 액체를 사용하여 활성화된 포토레지스트를 씻어 내고 최종적으로 이렇게 되어 Poly와 SiO2를 유지해야 하는 곳에는 포토레지스트만 남고, 유지할 필요가 없는 곳에는 포토레지스트가 제거됩니다.