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[반도체 공정] 1. 반도체란? 반도체 공정에 사용되는 기초 지식 본문
김성호 교수님의 <기초반도체공정> 유튜브 강의를 정리한 내용에 삼성 반도체 뉴스룸, SK 하이닉스 뉴스룸을 참조하여 공부한 것임을 밝힙니다.
1. 반도체란?
: '반(Semi) + 도체(Conductor)' => 즉, 도체와 부도체의 중간정도가 되는 물질의 집단
순수 반도체는 부도체와 같이 전기가 거의 흐르지 않지만(OFF), 인공적인 조작을 가하면 도체처럼 전류가 흐르는(ON) 특징을 가짐
전기가 통하지 않는 재질인 순수실리콘(Si)에 13족 혹은 15족의 불순물 원소를 화학적으로 결합(도핑)해 재질의 비저항 상수를 10^-4~10^2[옴-미터] 정도로 낮춘 물체
* 반도체의 역사
1. 진공관 다이오드: 증폭기능을 가지는 진공관은 전기신호의 장거리 통신에 사용
but, 초기 진공관의 부피가 너무 大, 전자빔 발생에 사용되는 필라멘트의 소모성이 단점
2. 트랜지스터(TR)의 개발: 점 접촉식 트랜지스터(Junction Transistor) -> 면 접촉식 트랜지스터(Bipolar Transistor)
Ge를 이용 (Carrier(전자, 전공)의 이동도가 크기 때문에 사용)
=> 현재는 Ge가 아닌 Si로 반도체를 제조
cf) 반도체에서 Si를 사용하는 이유?
1. 지각 성분의 약 28%를 차지하기에, 구하기 쉽고 저렴함
2. 고순도로 정제된 Si를 비교적 쉽게 구할 수 있음
3. Chemical 특성이 까다롭지 않음(상온에서는 반응성이 낮아 안정 + 고온에서는 nitride, alloy 등으로 반응 가능)
4. 적절한 energy bandgap(1.12eV)
Ge(0.6eV)로 비교적 energy bandgap이 작아, bandgap을 뛰어넘는 carrier들이 발생하며 leakage current 발생 가능
energy bandgap이 너무 작으면, 전자가 쉽게 이동하지 못함
5. packing density가 34%로, 비어있는 영역에 쉽게 doping 가능 = high doping concentration
-> 가변할 수 있는 저항의 범위가 넓어짐
- N type donor(As, P...): 1000℃기준, Solubility 한계 = 10^21(개/cm3)
- P type acceptor(B, In...): 1000℃기준, Solubility 한계 = 10^17~10^20(개/cm3)
=> 보통 최대 20^20(개/cm3)까지 도
6. SiO2는 bandgap이 9.0eV로 매우 좋은 절연체, chemical적으로 안정적이라 후속공정에 영향 ↓, 산화 공정으로 쉽게 얻을 수 있음.
GeO2는 물에 녹기에, 후속공정에 물이 사용되는 공정 사용 불가
2. 반도체 공정에서, 진공의 중요성
- Low vacuum: 100 ~ torr (대기압 760 torr)
- Medium vacuum: 0.1 ~ 100 torr
- High vacuum: ~ 0.1 torr
* 왜 대부분의 반도체 공정들은 진공 하에서 이루어질까?
1. 오염 방지를 위해(불순물, 습기로 인한 화학반응의 가능성 제거 + native oxide생성 억제)
2. mean free path(MFP)를 증가시켜 직진성을 높여주기 위해(증착 공정 등...)
3. Plasma를 활용하기 위해서
cf) Plasma란?
제 4의 상태, gas 상태에서 에너지를 가해주어 이온화 시킨 형태 = 매우 높은 에너지 형태(높은 반응성)
형성방법: gas에 DC or AC 전압 인가해 가속 -> (전자+양이온+라디칼) 전기적으로 중성인 plasma 형성
파센곡선(Paschen’s Curve)의 임계점을 따라 플라즈마 방전개시 전압이 설정
=> Ar plasma(15.8eV)많이 사용 (Ar은 반응을 하지 않는 비활성 기체 중 이온화 에너지가 작고, 저렴하기 때문에)
3. Cleanroom?
* Cleanroom 이란, 외부 오염, 정전기로부터 차단된 깨끗한 공간. (향균/항온/항습)
=> 머리카락, 박테리아보다 작은 반도체 IC를 오염으로부터 보호하고자 하는 목적
∴ 작업자가 Cleanroom 안으로 들어갈 때에는, 방진모자, 방진복, 방진화, 방진장갑, 마스크 착용
=> MIC(Mobile Ionic contaminant, Na, Cu...): 확산성이 높은 금속들이 소자를 뚫고 들어가며 오류를 발생시키기에 격리되어야
=> 상하로 흐르는 공기흐름에 따라 실내 공간에서 발생할 수 있는 부유 미립자가 아래로 흘러가기 때문에 공기 오염 X
① ULPA(Ultra Low Penetratoin Air filter)로 걸러진 공기가 Cleanroom위로 공급
② Cleanroom 바닥에 뚫린 구멍들로 공기가 빠져나감
③ 빠져나간 공기들은 다시 재순환, filtering 됨.
=> Cleanroom을 분류하는 기준?? : 단위면적당 입자의 분포를 알려주는 " Class " 로 정의
+) Class 1 = 1 ft^3의 공간에 0.5μm size의 먼지가 1개 이하일 경우
공간 별로 평균 Class 1 ~ 1000 상태를 유지
+) ISO 1 = 1m^3 공간에 0.1μm size의 먼지가 10개 이하일 경우
=> EDS (Electro-Static Discharge): 정전기
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