금일 포스팅은 반도체 단위 공정별 Basic Summary를 진행하는 Contents를 다룰 예정입니다. 흔히 알고 계시는 내용들 중 놓치고 있었던 내용이 있는지 꼭 Check 해보시길 바라겠습니다!
[면접관 Q1.] Difffusion 공정에 대해서 간략하게 설명해주시겠어요.
Diffusion 공정은 말 그대로 '확산'을 메커니즘으로 진행되는 공정으로, 크게 산화 공정, 확산 공정, LP-CVD 공정으로 나누어집니다.반도체 제조 공정에서는 Metal 공정 이전의 일련의 과정인 산화 공정, Annealing 공정 및 Film을 Deposition하는 공정을 주로 담당하고 있는 것으로 알고 있습니다.
[면접관 Q2.] 산화 공정에 대해서 설명해주시겠어요.
산화 공정은 일반적으로 Si Wafer 표면을 Oxygen과 반응시켜 SiO2 산화막을 형성하는 공정입니다. 고품질의 SiO2를 천천히 성장시키는 만큼, 산화막의 Thickness Control이 용이하고, 계면 내 Defect으로 작용하는 Dangling bond와 같은 불완전 결합 수가 적어 우수한 계면 특성을 가지기에 반도체 공정에서 우수한 막질이 요구되는 Layer에 주로 사용됩니다. 산화공정은 Oxygen을 제공하는 산화제 Type에 따라 Dry Oxidation, Wet Oxidation으로 구분됩니다.
[면접관 Q3.] Dry Oxidation 과 Wet Oxidation 방법에 대해서 설명하세요.
말씀드린대로, 두 산화 방식은 산화제의 Type에 따라 구분할 수 있습니다. Dry Oxidation의 경우, Oxygen Gas를 주입하여 Oxygen과 Si 표면의 반응을 유도하고, Wet Oxidation의 경우, H2O 수증기를 주입하여 수증기와 Si 표면을 반응시키는데 있어 차이가 있습니다.
네. 답변 드리겠습니다. 우선 두 산화 방식의 가장 큰 특징은 바로 산화 속도에 있습니다. Dry Oxidation의 경우, 산화속도가 느리고 (~200Å) 계면 특성이 우수합니다.이러한 특징으로 정밀한 두께 제어가 필요한 Gate Oxide에 적용되며, 그 외에도 얇은 두께를 요구하는 Pad Oxide, STI (Shallow Trench Isolation) 형성 시, Charging Damage (Plasma Damage)를 최소화 하는 Liner Oxide에 주로 적용됩니다. Wet Oxidation의 경우, ~수천Å으로 산화속도가 매우 빠릅니다. 따라서 Field Oxide나 Sacrrificial Oxide 형성에 주로 사용되는 것으로 알고 있습니다.
[면접관 Q5.] 반도체 제조 공정에서 산화막은 어떤 용도로 사용되나요.
산화막은 반도체 제조공정에서 정말 다양한 용도로 사용되고 있으며, 대표적으로 ① 표면보호, ② Isolation, ③ 이온주입 시 Blocking Mask, ④ Gate Dielectric으로 사용됩니다. 반도체 소자의 특성에 가장 큰 영향을 미치는 영역은 바로 계면 즉, Si 표면입니다. Scratch나, Dust, Contamination 같은 외부 물리적이 오염으로부터 Si 표면을 보호합니다. 다음은 인접 Device 간 물리적/전기적 Isolation을 목적으로 사용됩니다. 다음은 Wafer의 이온주입 시, 물리적인 힘에 의해 표면을 보호하는 Buffer Layer로 사용되기도 하며, Hardmask로 적용되어, 특정 Well이나, Active 영역을 Define할 때, Mask 용도로 사용됩니다. 마지막으로 Dielectric 입니다. Main Tr.에 Gate 유전체로 사용되며, Capacitor의 Dielectric 물질에 적용됩니다.
[면접관 Q6.] 산화공정 시, 산화 속도에 영향을 주는 요소에 대해서 설명해주세요.
산화공정에서 주요 공정 변수에 대해서 설명드리겠습니다. 우선 가장 Key Factor로는 바로 Oxidant type입니다. 앞서 설명드렸다시피, 산소 gas를 산화제로 사용하는 건식식각은 산화속도가 느려, ~200Å 수준에 Thin Oxide 성장에 주로 사용됩니다. H2O를 이용한 습식산화는 산화속도가 매우 빨라, ~수천 Å Oxide 성장에 사용됩니다. 공정 변수로는 공정온도가 높을수록, 그리고 챔버 내 압력이 높을수록 산화 속도가 빠릅니다. (챔버 내 1기압 상승은 온도 30Å 상승과 동등한 수준으로 산화 속도에 영향을 미침). 마지막으로 Dopant 주입입니다. 3족 or 5족 불순물을 주입할 경우 산화속도가 증가합니다. 특히 Halogen 원소 중 Chlorine 을 포함한 유기물질 혹은 HCl Vapor 주입 시 산화 속도가 급격히 증가합니다.
[면접관 Q7.] 산화공정이 아닌, Diffusion 공정에 대해서 설명해주시겠어요.
반도체 제조 공정에서 대표적인 Diffusion 공정은 바로 Doping입니다. 고체 Si Wafer에 Dopant 원자를 도핑하고, 원하는 접합 깊이 및 분포를 제어하는 공정입니다.이온주입 공정으로 구분하기도 하지만 공정 메커니즘은 명확히 Diffusion이라 할 수 있습니다. 반도체 제조 과정에서 Electrical Isolation을 위해 Well Formation, Vth Adjust Imp., LDD/Halo, Source/Drain, Tap 등 Active 형성 그리고, 저항 Passive 소자 특성 변경 등 반도체 제조공정에서 Diffusion 공정은 정말 중요하다고 할 수 있습니다.
Dopant 원자들은 Si 결정격자 내 Si 원자가 비어있는 Vacancy로 이동하거나, 결정격자 사이를 Dopant 원자들이 이동합니다. 실제 Doping 시 Activation이 되어 과잉의 Carrier를 만들어내는 Mechanism은, Dopant 원자가 Si 결정격자 원자를 치고 들어가 인접 Si과 결합을 통해 과잉캐리어를 만들어내는 '치환'의 개념을 생각하시면 될 것 같습니다. 치환형
[면접관 Q8.] Diffusion 방법에 대해서 설명해주시겠어요.
Diffusion 방법은 Device Scaling이 되면서 방법론적으로 변화가 있습니다. 이전 Large Scale 공정의 경우, Wafer를 Loading 한 후, Dopant 원자를 얇게 Wafer 표면에 Deposition한 후, 1000℃ 이상의 고온에서 열처리를 함으로써 Dopant 원자들이 Silicon 내부로 확산시키는 메커니즘입니다.
하지만 이러한 경우, 등방성으로 이동하려는 확산의 특성으로 인해 미세공정에서는 Dopant가 확산되면서 인접 Tr.의 특성에 영향을 미치고, Well Formation 간 Compenstation 되면서 Well 간 Junction BV 하향 기인 Field Leakge 증가를 초래합니다. 따라서, 현재는 이온주입기를 이용하여 원하는 Dopant type의 원자를 가소시켜 물리적인 힘으로 주입한 후, 후속 열처리 공정을 통해 원하는 Doping Profile을 형성하는 이온주입 공정이 사용됩니다.
[면접관 Q9.] Ion 주입 공정 후에도 열처리를 진행하면 역시, Diffusion의 등방성 특성이 작용하잖아요.
맞습니다. 정확한 Doping Profile을 최적화 시키기 위해서는 기존 Diffusion 공정보다 이온주입공정이 강력하지만, 이온주입 공정 역시 후속공정으로 이온충돌에 의한 결정격자의 Damage를 회복하고, 주입된 Dopant 이온을 Activation 시키는 목적으로 후속 열처리 공정은 필수입니다. 이때, 열처리에 의한 Dopant 확산은 등방성으로 일어나게 됩니다. 반도체제조공정에서 Heatbudget 관리가 매우 중요한 데, STI Profile이나, 소자 특성에 영향을 주기 떄문입니다. 이때 소자의 특성의 영향을 주는 것이 바로 Diffusion이라고 할 수 있죠. 따라서, Diffusion에 의해 소자의 특성이 Target 값을 벗어나 큰 산포를 가지는 것을 막기 위해, 고온에서 짧은 열처리 공정을 진행하는 급속열처리 기술들이 반도체 제조공정에서 중요해지고 있습니다. (1) RTA (Halogen ramp) : 승온률 ~수십 sec. (2) FLA (Flash ramp) : 승온률 ~msec. (3) LSA (Laser) : 승온률 ~μsec
[면접관 Q10.] Ion 주입 공정 후에도 열처리를 진행하면 역시, Diffusion의 등방성 특성이 작용하잖아요.
맞습니다. 정확한 Doping Profile을 최적화 시키기 위해서는 기존 Diffusion 공정보다 이온주입공정이 강력하지만, 이온주입 공정 역시 후속공정으로 이온충돌에 의한 결정격자의 Damage를 회복하고, 주입된 Dopant 이온을 Activation 시키는 목적으로 후속 열처리 공정은 필수입니다.이때, 열처리에 의한 Dopant 확산은 등방성으로 일어나게 됩니다. Dopant가 Channel 방향으로 확산이 일어나면서, 유효채널길이가 짧아지고 그로 인해 Vth Lowering이 발생하면서 DIBL이 열화되면서 GDS 특성 열화가 발생하게 됩니다. 이를 개선하기 위해 이온주입 후 고온에서 짧은 열처리 시간의 급속열처리 기술의 중요도가 높아지고 있습니다.
[면접관 Q11.] 반도체 제조공정에서 알고 계신 측정 방법이 있을까요.
반도체 제조 공정상에 Data는 크게 3가지로 구분할 수 있습니다. 공정 완료 후 단위 공정의 이상 유무를 판단하기 위한 방법으로는 공정 완료 직후 in-line에서 비파괴, non-Contact 방식으로 진행하는 두께 측정, Particle 측정 등이 있습니다. Wafer 표면에 접촉하거나 또는 Sampling(파괴)하여 시료를 제작하고 측정하는 SRP, SIMS 분석 등이 있습니다. 이후 전체 Fab 공정이 완료되면, Wafer Level에서 소자의 DC 특성을 평가하는 PCM(or EPM) 평가 방법이 있습니다. 이후 소자의 특성이 안정적으로 Spec 내 Targeting이 되면, Wafer Level에서 제품의 DC 특성 및 Function Test를 진행하여 Yield를 추출하는 EDS 측정을 진행합니다.
[면접관 Q12.] 질문이 조금 잘못 됐네요. 저는 산화막을 평가하는 방법에 대해서 질문 드린 것입니다.
그러시군요. 답변 드리겠습니다. 산화막이나 질화막 같은 막질의 두께를 측정하는 방법은 2가지가 있습니다. 하나는 Color Chart를 이용하여 막질의 종류 및 두께에 따른 반사도의 차이로 인해 Wafer의 표면 색깔이 다르게 나타나게 되는데, 이 색깔의 차이로 두께를 평가합니다.다만, 색으로 평가하는 방법이기에 측정된 두께의 오차가 있기 마련입니다. 두 번째는 계측을 통한 두께 평가입니다. 공기/SiO2 계면에 Si/SiO2 계면에서 반사되는 빛들 간의 간섭을 이용하여 산화막의 두께를 측정하는 Nanometrics 장비와 Si/SiO2 계면에서 반사되는 빛의 편광 상태의 변화를 이용한 두께 측정 방법인 Elipsometry 장비를 이용하여, 비교적 정확한 막질의 두께를 측정할 수 있습니다.
그 외에도, 파괴적 검사로는 Ion Beam Milling을 통해 소자의 단면을 드러내어, SEM 장비를 통해 막질의 두께를 평가할 수 있습니다.
[면접관 Q13.] 위에서 잠깐 언급하셨는데, Particle 검사는 어떻게 진행하죠.
Particle 측정의 경우 Lase를 막질 표면에 입사 시킨 후 Particle에 의해서 산란되는 광을 검출하여 Particle을 측정합니다. Wafer 상에 Pattern이 없는 상태에서 Particle 검사를 합니다. (Surfscan, SP1 측정). Wafer 표면에 Pattern이 존재할 경우, KLA, AIT 측정을 진행하는데, Particle이나 Defect 검출할 때 주로 사용되는 장비입니다.
[면접관 Q14.] 반도체 소자에서 Doping 농도는 어떤 식으로 측정하나요.
Doping 농도를 측정하는 데 있어서 가장 접근성이 쉬운 방법은 바로, 막질의 Sheet Resistance 즉, 시트저항을 측정하는 것입니다. 대표적인 방법으로 4-Point Probe 방식이 적용되며, 일직선으로 배열된 4개의 Probe를 Wafer 표면에 접촉시켜 Sheet Resistance를 측정합니다. 두 번째 방식은 SRP (Spreading Resistance) 측정 방법입니다. Wafer, Sample을 5~15deg. 일정한 각도로 연마한 후에, 연마된 면을 따라 2개의 Probe를 일정 간격으로 Shift 시키면서, 두 Probe에 Current를 Forcing한 후 Voltage를 측정합니다. 두 Probe의 이동거리와 연마 각도 등을 계산하면 깊이 방향에 따른 저항과 Doping Profile을 평가할 수 있습니다. 4-Point Probe Measurement (좌), Spreading Resistance 측정 (우)
▼▼▼ 4-point Probe를 통한 Sheet Resistance 측정 원리는 하기 링크를 참고해주세요. ▼▼▼
SIMS는 Secondary Ion Mass Spectroscopy로 역시 Doping Profile을 평가할 수 있는 방법입니다. Wafer 표면에 1차 Ion을 가속시켜 충돌시킨 후, 충돌에 의해 Sputtering 되어 나온 2차 이온을 검출하여, 깊이에 따른 Doping 농도를 평가할 수 있습니다. 앞서 설명드렸던 4-point Probe와 Spreading Resistance 측정의 경우, 전기적 평가이기에 주입된 Dopant 중 Activation 된 Dopint 농도만 검출할 수 있다면, SIMS의 경우 Activation Dopant 뿐만 아니라, Inactivation 된 불순물의 농도까지 모두 검출한다는 특징이 있습니다. SIMS (Secondary Ion Mass Spectroscopy) Data
[면접관 Q16.] Dielectric 소재에 대해서 전기적 특성 평가는 어떻게 진행하죠.
음.. Dielectric 막질의 용도가 워낙 다양하다 보니, Dielectric 소재가 FET 소자의 Gate Oxide Layer에 적용됐을 때에 국한하여 말씀드리겠습니다. 대표적인 방법은 바로, C-V Curve 측정입니다. C-V Curve를 통해 MOS Cap. 구조의 Oxide Capacitance (Cox), ETox, Flatband Voltage(Vfb)를 추출하여 Effective Defect Density 등의 값을 추출하여 막질을 평가할 수 있습니다. 그 외에도 Gate에 Voltage or Current Forcing을 통해 Dielectric이 견딜 수 있는 내압 즉, Breakdown Voltage를 평가할 수 있습니다.
반도체 단위 공정 중 Diffusion 공정에 대해서 다루어보았습니다. 면접 답변을 겨냥하여 내용 자체가 간략하게 요약하는 식으로 작성되었습니다.
기본적인 내용이기 때문에 면접을 앞두고 계신 분이라면 가볍게 읽어보면서 챙겨 가시는 것을 추천드립니다.
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