반도체공정
AMSE415
2022. 1학기
김동환 교수
신소재공학부
donghwan@korea.ac.kr
010-7144-3275
조교1: 장홍준 eehhqq@korea.ac.kr 010-8575-8557
조교2: 이희연 k21996@korea.ac.kr 010-7723-4129
조교3: 조수진 csj9528@korea.ac.kr 010-2392-9528
1
아베의 수출규제
2019. 7. 1
반도체〮디스플레이〮스마트폰〮TV 제조에 필요한 첨단필수소재 세가지
http://newslabit.hankyung.com/article/201907220727G
포토레지스트〮에칭가스(HF)〮플르오린폴리이미드
2
23일 산업통상자원부 ‘소
재·부품 종합정보’에 따르
면 지난해 한국의 소재·부
품 수입액은 총 1,678억달
러로, 이중 일본 제품은
267억9,000만달러(16.0%)
를 차지했다. 2019년
15.8% 대비 소폭 상승했다.
소재·부품 분야의 대일 무
역적자는 153억7,000만달
러로 전년(141억5,000만달
러)에 비해 10억 달러 이
상 늘어났다.
3
https://www.sedaily.com/NewsVIew/22HD8EONZ3 서울경제 2021. 1. 23
가마우지 경제?
4
https://www.sedaily.com/NewsVIew/22HD8EONZ3 서울경제 2021. 1. 23
무엇을 만들고자 하는가?
-반도체 소자를 포함한 전기 회로
-실리콘 웨이퍼 평면에 구현
-집적도가 높아짐에 따라 수직화
5
Introduction to Microelectronic Fabrication, 2nd Ed., R. C. Jaeger
Cross-section of IC
Semiconductor Manufacturing Technology by Michael Quirk and Julian Serda
6
어떻게 만들 것인가? (1/3)
https://www.google.com/url?sa=i&source=images&cd=&ved=2ahUKEwj4u3v5PXmAhXEAYgKHZpcC7MQjRx6BAgBEAQ&url=https%3A%2F%2Fkr.123rf.com%2F%25EC%259D%25BC%25EB%259
F%25AC%25EC%258A%25A4%25ED%258A%25B8%2F%25EB%25A0%2588%25EA%25B3%25A0_%25EB%25B8%2594%2
5EB%259F%25AD.html&psig=AOvVaw1XqtrEQGwteX0hfZitjKyc&ust=1578634134064844
http://13.124.8.119/wp-content/uploads/2019/07/T_philips-D-1800-inside-5.jpg
7
어떻게? (2/3)
https://www.google.com/url?sa=i&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=2ahUKEwiheOf9vXmAhXRGaYKHe4GCbYQjRx6BAgBEAQ&url=http%3A%2F%2Fm.etnews.com%2F20160203000309&psig=AOvVaw17eyw
X6pT2bdZ7xnmvCC0K&ust=1578638751855840
8
어떻게? (3/3)
https://t1.daumcdn.net/cfile/tistory/999FA33359C4C03D0F
9
사진공정 (예)
Exposure light
mask
Ion beam
PhotoResist (PR)
SiO2
n-type Si
(a) Exposure (노광)
(c) After SiO2 etch
p-type silicon
(b) Post-exposure and
development of photoresist
(d) After implantation/diffusion
of acceptor dopant.
왜 반도체공정인가?
1. 반도체의 산업적 중요성
•
•
•
•
•
•
메모리칩, 마이크로프로세서
디스플레이소자
태양전지
LED
바이오칩
MEMS (Microelectromechanical System)
2. 반도체 공정의 응용성
• 문제해결능력
3. 재료공학적 지식의 심화
• 반도체, 유전체, 금속, 유기물 등에 응용
11
세계반도체시장 점유율 추이
주가총액 (조원) 2021. 3.1 기준
삼성전자 ~550
TSMC
~633
https://www.icinsights.com/news/bulletins/Intel-To-Keep-Its-Number-One-SemiconductorSupplier-Ranking-In-2020/ 2020. 11. 23
12
반도체기업의 종류
• 통합 소자 제조사 (Integrated Device Manufacturers, IDM)
자신들의 칩을 직접 설계, 제조 및 판매하는 인텔, 삼성
• 팹리스 제조사 (Fabless Manufacturers, Fab: fabrication facility)
칩을 설계하고 판매하지만 제조는 파운드리 기업에 외
주를 하는 애플, 퀄컴, 엔비디아, 자일링스
• 파운드리 기업 (Foundry Manufacturers)
고객 기업이 설계하고 주문하는 반도체를 제작하는
TSMC와 UMC, 동부하이텍, 삼성
13
https://www.mk.co.kr/news/business/view/2021/01/99107/ 매일경제 2021. 1. 30
14
반도체산업구조
반도체
제조장치
제작업체
C/R
건설회사
Chip(IC&Discrete)
제조 회사
반도체
유통회사
Gas 제조업체
건설회사
Fab.설비제조사
Chemical 제조
Software
개발사
Test설비제조사
측정장비제조사
Package설비제조사
Test
전문 회사
반도체
재료업체
(원부자재)
Package 전
문 회사
Mask 제작업체
Raw-wafer 제조
Wafer Foundry
업체
종합 반도체업체
Lead frame 제조
설계
전문 회사
Ⅲ-Ⅴ반도체
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반도체산업 현재 상황
• 반도체: 시스템반도체, 메모리반도체
• 전세계 시장규모: 시스템반도체 80%, 메모리반도체
20%
• 한국 점유율: 시스템반도체 3%, 메모리반도체 50% 이상
• 한국 주요기업: 삼성전자, SK하이닉스
- 한국의 시스템반도체산업의 세계시장 점유율 하락 중
- 삼성전자 LSI 쪽 점유율도 낮은 수준
- 시스템반도체가 고부가가치 산업이면서 시장의 80%를
차지하기 때문에 경쟁력을 키워야 한다고 알고 있지만 어
려운 실정
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칩?
heater
cathode
grid (g1)
plate
glass
heater
3극관의 구조
socket base
pin
삼성전자가 세계 최초로 50nm 공정
을 적용해 생산한 1Gb D램 반도체
필라멘트
필라멘트
+전극
<그림1> 2극 정류관
플레이트
+전극
<그림2> 3극 증폭관
17
회로집적 (Circuit Integration)
First Transistor and Its Inventors (1956 노벨 물리학상)
John Bardeen, William Shockley and Walter Brattain
Photo courtesy: Lucent Technologies Inc.
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Semiconductor Manufacturing Technology by Michael Quirk and Julian Serda
The First (2D) Integrated Circuit
Jack Kilby, Texas Instruments, 1958
• Transistor, Resistors and Capacitors on the same piece of semiconductor
• Interconnects between components not integrated
→ Low connectivity between components
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Semiconductor Manufacturing Technology by Michael Quirk and Julian Serda
반도체 소자의 분류(1)
메모리
MOS
RAM
DRAM, SRAM
ROM
Mask ROM, EPROM
EEPROM, FLASH
마이크로프로세서(MPU)
Monolithic
마이크로
컴포넌트
마이크로콘트롤러(MCU)
마이크로퍼리퍼럴(MPU)
집적회로
표준로직
논리IC
Bipolar
Hybrid
후막
아날로그
디지털
ASIC
Application
Specific IC
ASSP
Application Specification
Standard Product
민생용
Audio, TV, VCR…
산업용
OP Amp
논리IC
TTL, ECL …
박막
개별소자
광소자
Diode, Transistor, SCR, IGBT…
LED, Laser Diode, Optocoupler, CCD…
20
반도체(Silicon IC)의 분류
집적방법에 의한 분류
모노리식 IC
(Monolithic)
반도체IC와 같이 칩내에 모든 소자들을 배열하는 것을 말한다
혼성(hybrid) IC
세라믹 기판위에 모노리식 IC,트랜지스터를 배열하고, 인쇄기술을
이용하여 저항과 소자 상호간의 연결 배선 등을 하는 구조를 말한다
# 모노(Mono)—그리스어로 하나 , 리식( lithic) - 돌(lithos)의 형용사
IC : Integrated Circuit (집적회로)
트랜지스터종류에 의한 분류
(구조에 의한 분류)
회로동작 기능에 의한 분류
- Bipolar IC
-아나로그 IC (리니어 IC )
- MOS IC
- 디지털 IC
1.
2.
3.
4.
5.
집적규모에 의한 분류
-SSI (소규모 IC )
-MSI (중규모 IC )
-LSI ( 대규모 IC )
-VLSI ( 초대규모 IC )
-ULSI ( 극초대규모 IC )
SSI(Small Scale Integration ) : 소자가 100개 이하
MSI ( medium Scale Integration ) : 소자수가 100 ~ 1000 개
LSI ( Large Scale Integration ) : 1,000 ~ 100,000 개
VLSI ( Very Large Scale Integration) : 100,000개 이상
ULSI ( Ultra Scale Integration ) : 10,000,000 개 이상
21
반도체 소자의 분류(2)
• RAM (Random Access memory) : Data(정보)를 쓰거나, 저장된 정보를 읽을 수 있는 메모리를 말하는 것으로 전원
이 꺼지면 정보(data)도 소멸된다
• DRAM (Dynamic RAM) ; 정보를 읽고 쓰는 것이 가능하나 전원이 공급되고 있는 동안이라도 일정기간 내에 주기적
으로 정보를 다시 써 넣지 않으면 기억된 내용이 소멸되는 메모리이다. 이처럼 DRAM은 REFRESH를 계속해 주어야
한다. Memory cell (기억소자) 당 가격이 싸고 집적도를 높일 수 있기 때문에 대용량 메모리로서 널리 이용되고 있다.
하나의 기억소자는 1개의 트랜지스터와 1개의 캐패시터롤 구성되어 있다
•SRAM (Static RAM) : 전원이 공급되는 동안은 항상 기억된 내용이 그대로 남아 있는 메모리로서 하나의 기억소자는
4개의 트랜지스터와 2개의 저항, 또는 6개의 트랜지스터로 구성되어 있다. DRAM에 비해 집적도가 1/4정도이지만 소
비전력이 적고 처리속도가 빠르기 때문에 컴퓨터의 캐쉬 (CACHE) 메모리에 사용된다
•ROM (Read Only Memory ) : 기억된 정보를 단지 읽어낼 수만 있는 메모리로서, 전원이 꺼져도 기억된 정보는 지워
지지 않는다. 이처럼 정보가 날아가버리지 않기 때문에 비휘발성 메모리 (Non-Volatile Memory) 라고 한다.컴퓨터의
OS(운영체제), 각종 전자기기의 고정된 프로그램 등을 저장하는 데 사용된다.
•Mask ROM : 제조공정 시에 고객이 원하는 정보를 저장함으로써 모니터 등 OA기기의 문자정보 저장용과 전자게
임기의 S/W, 전자악기, 전자사전 등으로 널리 이용되고 있으며 특히 한글 및 한자를 많이 사용하는 동양문화권의 사무
자동화기기에 폭넓게 사용되고 있다.
•PROM : Mask ROM과는 다르게 제조공정중이 아니라 공정이 완료된 후에 외부에서 정보를 입력하는 것으로 일반적
으로 전원이 꺼져도 Data는 그대로 살아있다
•EEPROM(E2PROM : Electrically Erasable ROM ) : 전기적인 신호로 정보를 지우거나 기억시킬 수 있는 메모리로서
전원이 꺼져도 정보를 유지할 수 있는 ROM의 특징과 입출력 할 수 있는 RAM의 특징을 다 가지고 있다. 초기에는 2
개의 전원이 요구되었으나 최근에는 단일 5V 전원으로 사용
•EPROM(UV-EPROM, Erasable Programmable ROM ): 지울 때는 UV 광원을 이용하여 지우고 쓸 때에는 10V이상
의 전원을 이용하여 쓴다.
22
반도체 소자의 분류(3)
• FLASH MEMORY : EEPROM을 개선하여서 일괄소거방식의 1TR-1CELL구조를 채용한 최신제품. 전원을 꺼도 기
억된 정보가 없어지지 않는 비휘발성 메모리의 일종으로 전기적인 방법으로 정보를 자유롭게 입출력할 수 있으며,
전력소모가 적고 고속프로그래밍이 가능하다. 향후 컴퓨터의 하드디스크드라이버(HDD)를 대체할 수 있는 제품으
로 기대 된다
•마이크로프로세서(Microprocessor) : 마이크로프로세서는 컴퓨터에 전원이 켜지면 즉시 동작하는 일종의 엔진 같
은 것으로서 , 산술 및 연산기능을 수행하는 것으로 대표적인 것이 Intel의 펜티엄 Chip 같은 것이 된다
•마이크로컨트롤러 (Microcontroller ): 마이크로컨트롤러는 한 Chip 안에 CPU와 메모리, 입출력장치 등이 있어서
하나의 마이크로컴퓨터와 같은 기능을 하여 흔히 마이컴 (일본식) 이라고 부른다. 최근에는 가전제품에 많이 사용
됨으로써 냉장고, 세탁기, 전기밥솥, 카오디오 등에 널리 사용되며 산업용에서도 그 사용이 크게 확대되고 있다.
주요 생산업체는 삼성, 도시바, 히타치, 인텔 등이다.
•마이크로 페리페롤( Microperipheral ): 이는 주로 주변 소자에 해당하는 것으로 대표적인 것이 Chip-set이다
•ASIC (Application Specific IC ) : 주문형 IC로서 Gate-Array 와 FPGA (Field Programmable Gate Array)로 나
눌 수 있으며, FPGA는 주로 연구단계에서 확인하기 위하여 Chip 외부에서 프로그램을 이용하여 Chip을 사용하며,
Gate Array는 Wafer 공정 중에 metal을 이용하여 원하는 회로를 구성하는 것이다.
•PLD ( Programmable Logic Device ): 프로그램을 짜서 chip 내부에 넣을 수 있는 device로서 요즘에 많이 사용
되고 있다
•DSP ( Digital Signal Processor) : 일종의 마이크로 프로세서로 빠른 속도의 아나로그 신호를 디지털로 처리하는
Chip
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Historical Trends
Memory Density (Bits/Chip)
반도체 제조공정
http://blog.daum.net/dasomcap/895
웨이퍼제조
회로설계
마스크제작
석영으로부터 고순도
단결정 실리콘 웨이퍼
를 만들어 내는 과정
웨이퍼 상에 구현될
전자회로를 설계하는
과정
설계된 전자회로를 각
층별로 나누어 유리마
스크에 그리는 과정
웨이퍼 가공
웨이퍼의 표면에 여러 종류의 막을 형성시키고, 특정부분을 선택적으로
가공하고 그 외 나머지 부분을 깎아내는 작업을 되풀이함으로써 전자회
로를 구성해 나가는 전 과정. 줄여서 FAB이라고 한다.
조립
웨이퍼 상의 칩을 잘라
서 완제품으로 조립 및
패키징하는 과정
검사
완성된 제품이 제대
로 동작하는지를 검
사하는 과정
www.ksia.or.kr
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반도체 제조공정 흐름도(Fab.)
기판공정
Cleaning 공정
Thermal 공정
Diffusion Furnace / RTA
불순물 도핑공정
Photolithography & Etch
PR Coating
Bake (Soft)
Oxidation/CVD
평탄화 공정
BPSG , CMP
막형성 공정
PVD / Electro Plating
Exposure
Develop
평탄화 공정
CMP
Ion-Implantation
막형성 공정
배선공정
Bake (Hard)
Cleaning 공정
Etching
P/R Strip
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Semiconductor Manufacturing Technology by Michael Quirk and Julian Serda
단위 공정의 구성과 이해
•
•
•
•
•
공정의 목적
원리
공정 조건
장비
측정 및 분석
“If you can measure it, you can improve it”
27
References
1. Introduction to Microelectronic Fabrication, 2nd Ed., R. C. Jaeger, p165
2. Fundamentals of Microelectronics Processing, Hong H. Lee, p54-55
3. VLSI TECHNOLOGY, S. M. SZE, p11, p21-22
4. SILICON VLSI TECHNOLOGY, J. D. Plummer, M. D. Deal, P. B. Griffin,
p126-131, p186
5. Introduction to Microelectronic Fabrication, 2nd Ed., R. C. Jaeger, p3,
p20-21
28