반도체 제조 공정
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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


Mai lab seminar

반도체 제조 공정

2002 . 8 . 16

MAI Lab

박 재 원

MAI Lab Seminar

MAI Lab Seminar


Mai lab seminar

Contents

1. 반도체 제조 공정 (Overview)

2. 주요공정의 이해

3. 최근 동향 및 이슈

4. 결론 및 토의

MAI Lab Seminar

MAI Lab Seminar


Mai lab seminar

  • 반도체 제조 공정

MAI Lab Seminar

MAI Lab Seminar


Mai lab seminar

Overview

Logic Design

Wafer Preparation

Circuit Design

Mask(Reticle)

Wafer Fabrication

Assembly

Test

MAI Lab Seminar


Mai lab seminar

Overview

FAB 공정

Logic 및 회로 설계

Mask 제조

규소봉 절단

웨이퍼 표면 연마

단결정 성장

MAI Lab Seminar


Mai lab seminar

Overview

Oxidation

PR 도포

Exposure

Development

Etching

조립 공정

Metallization

CVD

Ion 주입

MAI Lab Seminar


Mai lab seminar

Overview

Test 및 선별

Sawing

Chip 부착

Final test

molding

Wire bonding

MAI Lab Seminar


Mai lab seminar

2. 주요공정의 이해

MAI Lab Seminar

MAI Lab Seminar


Mai lab seminar

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


Mai lab seminar

Wafer Preparation

donor

n-type

acceptor

p-type

MAI Lab Seminar


Mai lab seminar

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


Mai lab seminar

Wafer Preparation

Preparation

Melting

Body growth

Cool-down

Ingot removal

Evaluation

MAI Lab Seminar


Mai lab seminar

Wafer Preparation

Slicing

Lapping

Etching

Heat

Treatment

Polishing

MAI Lab Seminar


Mai lab seminar

Wafer Preparation

Epitaxial

Processing

Cleaning

Inspection

Packing

MAI Lab Seminar


Mai lab seminar

Wafer Preparation

Crystal Growing

Czochralski Method (CZ)

Floating Zone Method (FZ)

MAI Lab Seminar


Mai lab seminar

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


Mai lab seminar

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


Mai lab seminar

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.

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Mai lab seminar

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


Mai lab seminar

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


Mai lab seminar

Lithography

Pattern Preparation

Photoresist Coating

Stepper Exposure

Develop & Bake

Acid Etch

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Lithography

Positive Resist

SiO2

Resist

SiO2

SiO2

Si

Si

Si

Negative Resist

SiO2

Mask

SiO2

SiO2

Si

Si

Si

MAI Lab Seminar


Mai lab seminar

Lithography

Lithographic masking steps to produce Transistor

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Lithography

Resist Processing

Coating Parameter :

  • Spin speed & time

  • Dispense volume

  • Resist temperature

  • Acceleration speed

  • Viscosity

  • Exhaust conditions

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Lithography

Classification

  • Exposing area solubility :

- Positive & Negative

  • Wavelength :

- g-line (436nm)

일반 수은등

- i-line (365nm)

- KrF (248nm)

Laser type

- ArF (193nm)

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Lithography

Pattern Preparation

  • Reticle은 실제 크기의 1 ~ 10 배

  • Laser Pattern Generator

  • E-Beam Pattern Generator

MAI Lab Seminar


Mai lab seminar

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

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Mai lab seminar

Lithography

Conventional mask

PSM(Phase Shift Mask)

E-field

at mask

E-field

at wafer

Intensity

at wafer

phase edge PSM

Alternating PSM

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Mai lab seminar

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


Mai lab seminar

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


Mai lab seminar

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


Mai lab seminar

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


Mai lab seminar

Film Deposition

CVD Model

PVD Model

ALD Model

MAI Lab Seminar


Mai lab seminar

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


Mai lab seminar

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


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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

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Metallization

MC and Via Structure on Device

MAI Lab Seminar


Mai lab seminar

Metallization

Schematic Diagram of Process Feature in DRAM

MAI Lab Seminar


Mai lab seminar

Metallization

Schematic Diagram of Process Feature in Logic Device

MAI Lab Seminar


Mai lab seminar

Metallization

Metal Deposition Technology

MAI Lab Seminar


Mai lab seminar

Metallization

Schematic Diagram of Sputtering

MAI Lab Seminar


Mai lab seminar

Metallization

Schematic Diagram of CVD Chamber

MAI Lab Seminar


Mai lab seminar

Metallization

Two Step Al Application (Cold/Hot Deposition)

MAI Lab Seminar


Mai lab seminar

Metallization

CVD W Applications

MAI Lab Seminar


Mai lab seminar

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

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Metallization

Process Sequence of Cu Dual-Damascene

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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

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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

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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

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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

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Cleaning & CMP

CMP를 이용한 STI 형성 공정

Stacked via에서 W Etch back과 CMP 공정의 비교

W Etch Back

W CMP

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Mai lab seminar

3. 최근 동향 및 이슈

MAI Lab Seminar

MAI Lab Seminar


Mai lab seminar

Trend

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300mm Wafer

  • throughput 탁월

  • 2009년에는 200mm wafer 사용량 추월

  • 운송 문제

  • 설비 문제

  • 면적 증가 + 두께 증가  무게 증가

     노동법 제약  자동화 필요

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4. 결론 및 토의

MAI Lab Seminar

MAI Lab Seminar


Mai lab seminar

Conclusion & Discussion

  • 반도체 제작 공정의 특징

    • 물리학 + 화학 + 전자기학 + …

    • 1.5 ~ 2 개월의 제작 기간

    • 수백 steps의 많은 공정수

    • 낮은 수율

    • 새로운 기술 도입의 어려움

  • 산업공학도의 역할 ?

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