반도체 공정 흐름

물리학이나 수학을 공부해본 적이 없어도 이해할 수 있지만, 조금 너무 단순해서 초보자에게 적합합니다. CMOS에 대해 더 알고 싶다면 이번 호의 내용을 읽어야 한다. 공정 흐름(즉, 다이오드의 생산 과정)을 이해한 후에야 다음 내용을 계속해서 이해할 수 있기 때문이다. 그렇다면 이번 호에서는 이 CMOS가 파운드리 회사에서 어떻게 생산되는지 알아보겠습니다(비고급 프로세스를 예로 들면, 고급 프로세스의 CMOS는 구조와 생산 원리가 다릅니다).

우선, 파운드리가 공급업체로부터 얻는 웨이퍼(실리콘 웨이퍼공급자)는 반경 200mm(8인치공장) 또는 300mm(12인치공장). 아래 그림에서 볼 수 있듯이 실제로는 우리가 기판이라고 부르는 큰 케이크와 유사합니다.

그러나 우리가 이런 식으로 보는 것은 편리하지 않습니다. 아래에서 위로 바라보며 단면을 보면 다음과 같은 그림이 됩니다.

다음으로 CMOS 모델이 어떻게 나타나는지 살펴 보겠습니다. 실제 공정에는 수천 단계가 필요하기 때문에 여기서는 가장 간단한 8인치 웨이퍼의 주요 단계에 대해 이야기하겠습니다.

 

우물 및 반전층 만들기:
즉, 이온 주입(Ion Implantation, 이하 imp)에 의해 기판에 웰을 주입한다. NMOS를 만들려면 P형 웰을 이식해야 합니다. PMOS를 만들려면 N형 웰을 이식해야 합니다. 편의상 NMOS를 예로 들어보겠습니다. 이온주입기는 주입하고자 하는 P형 소자를 기판에 특정 깊이로 주입한 후, 용광로 튜브에서 고온으로 가열하여 이온을 활성화시키고 주변으로 확산시키는 장치입니다. 이것으로 우물 생산이 완료됩니다. 제작이 완료된 후의 모습입니다.

우물을 만든 후에는 다른 이온 주입 단계가 있는데, 그 목적은 채널 전류와 임계 전압의 크기를 제어하는 ​​것입니다. 누구나 이를 반전 레이어라고 부를 수 있습니다. NMOS를 만들려면 반전층에 P형 이온을 주입하고, PMOS를 만들려면 반전층에 N형 이온을 주입합니다. 이식 후는 아래와 같은 모델입니다.

여기에는 에너지, 각도, 이온 주입 중 이온 농도 등 이번 호에 포함되지 않은 내용이 많이 있는데, 그런 내용을 알고 계시다면 반드시 내부자이실 거라 믿습니다. 배울 수 있는 방법이 있어야 합니다.

SiO2 만들기:
이산화규소(SiO2, 이하 산화물이라 함)는 나중에 만들어질 것이다. CMOS 생산 공정에서는 산화물을 만드는 방법이 다양합니다. 여기서 게이트 아래에는 SiO2가 사용되는데, 그 두께는 문턱전압의 크기와 채널전류의 크기에 직접적인 영향을 미친다. 따라서 대부분의 주조소에서는 이 단계에서 최고 품질, 가장 정확한 두께 제어 및 최고의 균일성을 갖춘 노 튜브 산화 방법을 선택합니다. 사실, 그것은 매우 간단합니다. 즉, 산소가 있는 용광로 튜브에서 고온을 사용하여 산소와 실리콘이 화학적으로 반응하여 SiO2를 생성하도록 합니다. 이렇게 하여 아래 그림과 같이 Si 표면에 얇은 SiO2 층이 생성됩니다.

물론 여기에는 몇도가 필요한지, 산소 농도가 얼마나 필요한지, 고온이 얼마나 오래 필요한지 등과 같은 구체적인 정보도 많이 있습니다. 이것들은 지금 우리가 고려하고 있는 것이 아니라, 너무 구체적이다.
게이트 엔드 폴리의 형성:
하지만 아직 끝나지 않았습니다. SiO2는 스레드와 동일하며 실제 게이트(Poly)는 아직 시작되지 않았습니다. 따라서 다음 단계는 SiO2 위에 폴리실리콘 층을 놓는 것입니다(폴리실리콘도 단일 실리콘 원소로 구성되지만 격자 배열은 다릅니다. 왜 기판은 단결정 실리콘을 사용하고 게이트는 폴리실리콘을 사용하는지 묻지 마십시오. Semiconductor Physics라는 책에서 배우실 수 있어요~). Poly도 CMOS에서 매우 중요한 연결고리이지만, Poly의 성분이 Si이고, SiO2 성장처럼 Si 기판과 직접 반응하여 생성할 수는 없습니다. 이를 위해서는 진공 상태에서 화학적으로 반응하여 생성된 물체를 웨이퍼 위에 침전시키는 전설적인 CVD(Chemical Vapor Deposition)가 필요합니다. 이 예에서 생성된 물질은 폴리실리콘이고 웨이퍼에 석출됩니다. (여기서 폴리는 CVD에 의해 용광로 튜브에서 생성되므로 폴리의 생성은 순수한 CVD 기계에 의해 수행되지 않습니다.)

그런데 이 방법으로 형성된 폴리실리콘은 웨이퍼 전체에 석출되게 되는데, 석출 후의 모습은 이렇습니다.

폴리 및 SiO2 노출:
이 단계에서 실제로 우리가 원하는 수직 구조가 형성되었습니다. 상단에는 폴리, 하단에는 SiO2, 하단에는 기판이 있습니다. 그러나 이제 전체 웨이퍼는 이와 같으며 "수도꼭지" 구조가 되는 특정 위치만 필요합니다. 따라서 전체 프로세스에서 가장 중요한 단계인 노출이 있습니다.
먼저 웨이퍼 표면에 포토레지스트를 깔아주면 이렇게 됩니다.

그 위에 정의된 마스크(마스크에 회로 패턴이 정의되어 있음)를 올려 놓고 최종적으로 특정 파장의 빛을 조사합니다. 조사된 영역에서 포토레지스트가 활성화됩니다. 마스크에 의해 차단된 영역은 광원에 의해 조명되지 않기 때문에 이 포토레지스트 조각은 활성화되지 않습니다.

특히 활성화된 포토레지스트는 특정 약액에 의해 쉽게 씻겨 내려가는 반면, 활성화되지 않은 포토레지스트는 씻어낼 수 없기 때문에 조사 후 특정 액체를 사용하여 활성화된 포토레지스트를 씻어내면 최종적으로는 이렇게 되어 남는다. Poly와 SiO2를 유지해야 하는 포토레지스트를 제거하고, 유지하지 않아도 되는 포토레지스트를 제거합니다.