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연미 이
6 years ago
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1 Chap. 1 Information/Communication Technology 반도체칩제조공정및메모리반도체 Advanced Materials and Future Technology

2 Fabrication Processes of Semiconductor Chips ( 반도체칩제조공정 )

3 IC (Integrated Circuit) Devices ( 집적회로소자 ) 8/13 반도체칩이라고도하며, 수백만개의능동소자 ( 다이오드, 트랜지스터 ) 와수동소자 ( 저항, 커패시터, 인덕터 ) 들을 Si 웨이퍼위에형성하여이루어진소자 마이크로프로세서, 메모리, 증폭기, 발진기, 타이머 p n n p n

4 1. 고순도 poly-si 제조 SiO 2 (s) + C (s) Si (l) + SiO (g) + CO (g) 99% 순도 Si 형성 Si (s) + HCl (g) SiHCl 3 (g) SiHCl 3 (g) + H 2 (g) Si (s) + 3HCl (g) 고순도 poly-si 형성

5 Polycrystalline ( 다결정 ) Si Solid nuclei C rystallite Grain boundary ( 결정립계 ) L iq u id 다결정 Si 의결정립계에서전자산란이심하게발생하여전기적특성이크게나빠짐. 전기적특성을향상시키기위해다결정 Si 으로부터결정립계가없는 Si single crystal ( 단결정 ) 형성

6 2. 단결정성장 (Single Crystal Growth) Poly-Si 용융액에단결정 seed 결정을접촉한후회전시키면서잡아당겨단결정 Si Ingot 으로성장시킴 Czochralski 결정성장법

7 3. Ingot Diameter Grind & Cutting 성장시킨 Si 단결정 ingot 의길이에따른직경을일정하게하기위해 diameter 연마를한후, 균일한두께 (500 μm ) 의얇은웨이퍼로절단

8 4. Wafer Lapping & Etching Lapping : 웨이퍼의표면을기계적으로닦아주는공정. - 웨이퍼표면의평평도및수평도향상 - Wafer cutting 공정에서형성된표면결함제거 Wafer etching : 웨이퍼표면을에칭하여표면흠집을제거하는공정. - 질산 / 초산용액또는가성소다로에칭후 DI water 로세척

9 5. Wafer Polishing ( 웨이퍼표면연마 ) 웨이퍼의한쪽면을연마하여거울면처럼만들어주며, 이연마된면에회로패턴 을새김

10 <Wafer 제조공정 >

11 6. 회로설계및마스크제작 회로설계 : CAD (Computer Aided Design) 시스템을사용하여전자회로및소자패턴설계마스크제작 : 설계한회로를구현하기위한소자패턴을크롬막으로덮은유리판에형성 ( 크롬막으로덮인유리판에서패턴형상으로크롬막제거 ) Cr 유리판 photomask Si wafer

12 7. 산화공정 (Oxidation) 고온 (800~1200 ) 에서산소나수증기를 Si 웨이퍼표면과화학반응시켜 Si 웨이퍼의표면에얇고균일한실리콘산화막 (SiO 2 ) 을형성시키는공정 Si + O 2 SiO 2 in dry O 2 ( 건식산화 ) Si + H 2 O SiO 2 + 2H 2 in steam ( 습식산화 ) SiO 2 Si wafer 용도 : 1. 절연및보호막 2. Masking oxide ( 원하는부분에 impurity 를넣기위하여다른부분을막는역할 ) 3. Gate oxide SiO 2 n-type dopant SiO 2 n-type Si n-type Si p-type Si wafer p-type substrate

Exposure ( 노광 ): Mask 에그려진회로패턴에빛 (UV) 을통과시켜웨이퍼에형성한 PR 막에회로패턴을사진찍는공정

13 8. Photo(lithography) 공정 PR coating ( 감광액도포 ): 자외선 (UV: ultraviolet) 에민감한고분자물질인 Photoresist (PR) 을 Si 웨이퍼표면에고르게도포하는공정. Exposure ( 노광 ): Mask 에그려진회로패턴에빛 (UV) 을통과시켜웨이퍼에형성한 PR 막에회로패턴을사진찍는공정 Development ( 현상 ): 빛을받은부분의 PR 막을제거 (positive PR) 또는빛을받지 않은부분의 PR 막을제거 (negative PR) 하는공정 SiO 2

14 9. Etching ( 식각 ) 공정 회로패턴을형성시켜주기위해화학물질이나반응성가스를사용하여필요없는 부분의 SiO 2 막을선택적으로제거하는공정. PR SiO 2 Si wafer Etching Si wafer Photoresist 제거 Si wafer

15 10. 이온주입 (Ion Implantation) 공정 SiO 2 절연막을제거한부분의전기적특성을변화시키기위해 p 형도펀트 (III 족 원소 : B, Al, Ga) 또는 n 형도펀트 (V 족원소 : P, As, Sb) 이온들을가속시켜웨이퍼내부에침투시키는공정 Si wafer n-type Si n-type Si Implant 된 dopants Si wafer SiO 2

11. 화학기상증착 (CVD) 공정 CVD (Chemical Vapor Deposition) 가스사이의화학반응을조절하여웨이퍼위에절연막 ( 유전체막 ) 이나전도층을 형성하는공정 - 절연막 3SiCl 2 (g) + H 2 (g) + 4NH 3 (g) Si 3 N 4 (s) + 6HCl(g) +6H 2 (g) 3SiH 4 (g) + 4NH 3 (g) Si 3

16 11. 화학기상증착 (CVD) 공정 CVD (Chemical Vapor Deposition) 가스사이의화학반응을조절하여웨이퍼위에절연막 ( 유전체막 ) 이나전도층을 형성하는공정 - 절연막 3SiCl 2 (g) + H 2 (g) + 4NH 3 (g) Si 3 N 4 (s) + 6HCl(g) +6H 2 (g) 3SiH 4 (g) + 4NH 3 (g) Si 3 N 4 (s) + 12H 2 (g) SiH 4 (g) + 2O 2 (g) SiO 2 (s) + 2H 2 O(g) n-type Si n-type Si 유전체 금속판 커패시터의축전전하량 Q = CV (C) ε s A ε s A 정전용량 C = ε o x (F) = (8.85x10-12 ) x (F) d d ε o : 진공의유전율, ε s : 유전체의비유전율 A: 금속판의면적. d: 금속판사이의거리 wafer - 전도층 : 실리사이드 (Silicide) WSi 2, TiSi 2, MoSi 2, TaSi 2

17 12. 금속배선 (Metallization) 및 Passivation 공정 배선공정 : 웨이퍼표면에형성된각회로들을알루미늄 (Al) 선으로연결시키는공정. 최근알루미늄선대신에구리선을사용하는공정기술이개발됨. Passivation: 배선공정이완료된웨이퍼의표면에 Si 3 N 4 보호막을형성하는공정. Al SiO 2

18 13. 칩자동선별및웨이퍼절단공정 칩자동선별 (EDS Test: Electrical Die Sorting Test) 웨이퍼에형성된각반도체칩들의전기적동작상태를검사하여불량품을자동선별하는공정. 웨이퍼절단 : 웨이퍼를다이아몬드톱으로절단하여수많은칩들로분리하는공정

19 14. Die Bonding 및 Wire Bonding 공정 칩접착 (Die Bonding) : 절단된각칩들을리드프레임 (leadframe) 에붙이는공정 와이어본딩 : 칩의연결단자와리드프레임을가는 Au wire로연결하는공정

20 15. 몰딩및개별화공정 몰딩 (Molding): 칩을외부로부터보호하기위해에폭시로칩을밀봉하는공정. 개별화 (Singulation): ): 몰딩이완료된반도체패키지를개별화하며 Lead 의 형상을마운팅에적합한형태로성형하는공정

21 Toward Larger Wafer. Wafer and Chip 칩의대량생산과저비용을위해서, 칩크기를작게 ( 복잡한고집적도기술이요구 ) 웨이퍼크기를크게 (200 nm) (300 nm) 메모리칩 (memory chip) : 수백만개또는그이상의 transistor 와 capacitor 로구성된직접회로 (IC)

22 Memory Semiconductors ( 메모리반도체 ) (I) 메모리반도체 vs. 비메모리반도체 메모리반도체 - 정보 ( 또는 data) 를저장하는용도 - DRAM, SRAM, ROM 등등 비메모리반도체 - 연산, 논리작업등과같은정보를처리하는용도 - 메모리이외의모든반도체 ex) 중앙처리장치 (CPU), 멀티미디어반도체 메모리반도체 휘발성 (volatile) 반도체 - 전원을끄면, data가소멸되는메모리반도체 비휘발성 (non-volatile) 반도체 - 전원을꺼도 data가그대로남아있는메모리반도체

23 Memory Semiconductors ( 메모리반도체 ) (II) Data 저장매체의종류 디스크드라이버 메모리반도체 History of DRAM 국가경제의핵심부분 SAMSUNG & HYNIX 세계반도체시장의 30-40% 메모리수출 전체수출액의 20%

24 Memory Semiconductors ( 메모리반도체 ) (III)

25 Memory Semiconductors ( 메모리반도체 ) (V) DRAM 메모리반도체의구성 1 개의트랜지스터 (transistor) 와 1 개의커페시터 (capacitor) 로구성 - Capacitor ( 축전기 ): 전자를저장하는장소 전자가채워지면 1, 전자가없어지면 0 - Transistor: Capacitor를이용해서, 0과 1의정보를구분즉, Capacitor가 0 또는 1 중어느값을가지고있는확인 ( 읽기 ) 또는. 그상태를반대로바꾸는역할 ( 쓰기 ) - Memory Cell: 1개의 transistor + 1개의 capacitor - Refresh ( 재충전 ): Capacitor 안에있는전자가짧은시간내에계속소멸 계속적인전자들의축적이요구 ( 초당수억번 ) 유전체 금속판 - + Emitter Base Collector

Types of Memory Semiconductors (I) DRAM (Dynamic Random Access Memory): volatile - PC의주기억장치, 그래픽카드메모리로사용 - 일정주기로 refresh 의동작으로 data 보존 ( 단점) : 전원차단시, 저장된데이터소실 -

26 Types of Memory Semiconductors (I) DRAM (Dynamic Random Access Memory): volatile - PC의주기억장치, 그래픽카드메모리로사용 - 일정주기로 refresh 의동작으로 data 보존 ( 단점) : 전원차단시, 저장된데이터소실 - SRAM에비해큰집적도 ( 장점) - FLASH memory에비해빠른동작속도 ( 장점) SRAM (Static Random Access Memory): volatile - 외부전원이공급되는한, refresh 동작이불필요 ( 장점) - 복잡한구조 (4개의 transistor 필요 ) 와그에따른저집적도 ( 단점)

ROM의장점 (non-volatile) - SRAM 과 DRAM에비해느린메모리속도 ( 단점)

27 Types of Memory Semiconductors (II) ROM (Read-only-Memory): non-volatile - PC의 BIOS (Basic Input Output System), 신용카드, 교통카드에이용 - Data 수정이불가 FLASH memory: non-volatile - RAM의장점 ( 읽고쓰기기능 ) 과 ROM의장점 (non-volatile) - SRAM 과 DRAM에비해느린메모리속도 ( 단점) - 저장된 data 일부분의삭제나수정이어려움 주로, 주기억장치로사용하지않고, 순수한 data 저장용으로사용 Flash memory

28 Next Generation Memory Semiconductors 차세대메모리반도체의특징 - Non-volatile - 빠른처리속도 cf) DRAM: 빠른처리속도, but volatile 차세대메모리반도체의종류 - 상전이 ( 결정질-비정질 ) 메모리결정질 : 재료를구성하는원자들이규칙적으로배열되어있는상태비정질 : 재료를구성하는원자들이무질서하게배열되어있는상태 - 강유전메모리전기쌍극자 (dipole) 를자발적으로갖는재료사용 - 강자성메모리자기쌍극자를자발적으로갖는재료사용 N S + _ 0 _ + 1 S 0 N 1

Microsoft PowerPoint - dev6_TCAD.ppt [호환 모드]

Microsoft PowerPoint - dev6_TCAD.ppt [호환 모드] TCAD: SUPREM, PISCES 김영석 충북대학교전자정보대학 2012.9.1 Email: kimys@cbu.ac.kr k 전자정보대학김영석 1 TCAD TCAD(Technology Computer Aided Design, Technology CAD) Electronic design automation Process CAD Models process steps