NCS 강의/반도체

[NCS 강의] 반도체 전공정 집중 과정_반도체 기초

이-다은 2023. 8. 4. 23:08
NCS 반도체 전공정 집중 과정
반도체 및 소자 관련 기초 (1~5강)

 

 

1. 반도체 및 공정 관련 기초

1-1. 반도체 기초

▶ 원자: 원자핵 (+) + 전자 (-) → 가전자

 

원자에서 원자핵의 구속을 끊는 전자 = 자유전자

이에 따라 생기는 반자리 = 정공

 

 

▶ 옥텟 규칙(최외각 전자 8개) → 원자들간 공유 결합 O → 격자 형성

 

▶ 전도대 및 가전자대

전도대 ( Empty State) : 전자 ↓, 가전자대로부터 전자가 넘어온다면 자유롭게 이동해 전류 생김

↕  Band Gap

가전자대 ( Filled State) : 전자 ↑, 전자로 가득차서 움직이지 않아 전류 = 0

 

▶ Band Gap에 따른 분류

  1. 부도체 (Band Gap: High)
  2. 반도체 (Band Gap: Medium) → Doping에 따라 부도체 / 도체처럼 될 수 있음.
  3. 도체 (Band Gap: Low)

 

▶ Doping : 진성 반도체에 불순물(5족 / 3족 Dopent) 넣어 자유전자 (n-) / 정공 (p-) 의 수 ↑

 

1-2. 반도체 소자 기초

 

▶ 소자란?

트랜지스터, D램, 플래쉬 메모리 등 특정 동작을 하는 장치

소자의 모임으로 반도체 제품 제조 (소자 → 반도체 제품)

 

 

▶ 반도체 소자의 분류

Active (능동 소자) ↔ Passive (수동 소자)

 

1. Active 소자 : 전력 → 증폭, 정류 O

  • PN Diode ( 한 방향으로 전류 흐름 )
    • Forward Bias : 다수 캐리어 → 전류 ↑
    • Reverse Bias : 소수 캐리어 → 전류 ↓ ( + Bias 커지면 Breakdown 발생)

1. Forward Bias / 2. Reverse Bias / 3. Reverse 및 Forward에서의 전류 밀도

 

  • MOSFET
    • MOS
      • Gate - Substrate
      • Metal에 전압 인가 시, Oxide/Semiconductor 계면에 Channel 형성 → Switch
    • FET
      • Source - Drain
      • 전압 V 인가에 따라 전기장 E 형성 → 전기장 크기에 따라 캐리어 양 조절 →  전류 크기 / 방향 결정
    • MOSFET 동작 특성 - n 타입
      • Gate에 양전압 인가 → 전자 Channel 형성
      • S - D 간의 양전압으로 전자가 Drain으로 이동 (전류: D → S)
    • MOSFET 동작 특성 - p 타입
      • Gate에 음전압 인가 → 정공 Channel 형성
      • S - D 간의 음전압으로 정공이 Drain으로 이동 (전류: S → D)

1. MOSFET의 Gate, Source, Drain, Bulk구성 / 2. N,P MOSFET의 구성 차이

  N P
Channel 전자 정공
캐리어 S → D D → S

 

2. Passive 소자 : 전력 → 증폭, 정류 X / 소비, 축적, 방출

 

  • R, Resistor (저항)
    • 전력 소비
    • Poly-Si: 도핑 농도에 따라 저항 조절 (농도 ↑ → 도체와 비슷 → 저항 ↓, ex) 금속 배선)
  • L, Capacitor
    • 전하 저장 - 에너지 저장
    • 도체 / 부도체 / 도체의 MIM 구조 → 도체 양단에 전압 걸면 부도체에 전하 저장
  • C, Inductor
    • 자기장 형성 - 에너지 저장
    • 전기장 형성에 따라 수직 방향으로 자기장 형성

메모리의 분류

▶ DRAM 과 Flash Memory

1. DRAM

  • 1 Transistor (NMOS) + 1 Capacitor
  • 미세화 → Capacitor 크기 조정

2. Flash Memory

  • 1 Transistor : MOSFET ( + Floating gate (Channeling oxide) )
  • 미세화 → 3D 구조로 변경 (V-NAND, 3D-NAND)

 

 

▶ DRAM (Dynamic + Random Access Memory)

- 구성

  • Controller : cell 동작을 위해 신호 처리 (행열 XY 신호 → Random Access, 비순차) 
  • Memory Cell : 실제 Data 저장소로 Controller의 신호에 따라 동작됨, 휘발성 (저장된 내용 손실됨)
    • Cell은 1 Tr.와 1 Cap.으로 구성됨
    • 1. NMOSFET 
      • Word Line : 신호에 따라 Tr.에 읽기 or 쓰기를 설정하는 스위치
      • Bit Line : 전하의 이동 통로
    • 2. Capacitor : 스위치가 켜지면 읽기 or 쓰기 (전하 저장) // 닫히면 값을 그대로 유지

 

- 신호 Read / Write

on →

  • Read 0
  • Write
    • Program 1 : BL에 전압 1 → 전하가 Tr을 거쳐 Cap.에 축적
    • Erase 0 : BL에 전압 0 → Cap.의 전하가 BL로 방전

 

- 비휘발성 : Cap.에 터널링 leakage 등에 따라 전하 손실 발생 ∴ 주기적인 Refresh 필요

 

 

▶ Flash Memory

- 구성

MOSFET 구조에서 Tunneling oxide 와 Floating gate를 추가한 형태

  • Tunneling oxide : 터널링을 통해 전자가 oxide를 넘어갈 수 있음
  • Floating gate : 전하의 저장소 역할

 

- 동작 원리 

1. Flash memory: Write

Program / Erase

  • Program
    • Gate에 고전압
    • 채널의 전하가 Floating gate로 이동 → 축적
    • 저장되어 전류가 흐르지 않음 ∴ 0
  • Erase
    • Body에 고전압
    • Floating gate에 축적된 전하가 채널로 이동 → 방전
    • 전하를 뺏어 전류가 흐름 ∴ 1

 

2. NAND Flash memory: Read

State에 따라 Threshold voltage 변화

  • 읽을 소자 : 전류 흐름의 여부에 따라 데이터를 On / Off 상태로 읽음.
  • 읽을 소자 이외의 모든 것 : On 상태로 만듦

→ 미세화에 따라 2D NAND의 경우 상호 간섭 및 신뢰성 저하

→ 2D NAND를 옆으로 세워 3D NAND로 바꿈 (같은 면적 대비 수십배 많은 Cell 제작)

 

 

메모리

  • Read
  • Write
    • 저장소 저장의 유무에 따라 Program (저장 O) / Erase (저장 X)로 구분
    • 전류 흐름에 따라 0 (전류 X) / 1 (전류 O) 로 구분
  DRAM (NAND) Flash
Program  1 (Capacitor 축적) 0 (Floating gate 축적)
Erase 0 (Capacitor 방전) 1 (Floating gate 방전)

 

1-3. 공정 관련 기초

 

- 전공정 -

FAB에서 진행 → Clean Room

▶ Clean Room

  • 입자, 온도, 습도, 압력 등을 조절
  • Yellow Room : 빛에 따라 구조가 변하는 감광제가 반응하지 않도록 단파장의 빛 제거
  • 단계 : Class ( 1 ft^3 당 0.5 ㎛ 입자의 개수, 작을수록 좋음 )
  • Layout
    • Process : Production Bay (실제 공정 진행, sample의 이동 공)
    • Service : Service Chase (설비 존재)

 

▶ 웨이퍼

  • 공정이 이뤄지는 Si 원판
  • 직경은 점점 커짐 → 생산성인 Throughput ↑ ( ≠ 수율 Yield )
  • 공정
    1. Si 정제
    2. Ingot 형성 : Czochralski / Float-zone
    3. Slicing
    4. Polishing, Lapping 등을 거쳐 원하는 두께 / 조도로 맞춰 감.

 

▶ Utility

 

1. Chamber 및 Cluster

- Chamber

진공, 열, gas 등 필요한 parameter를 제어하는 공간

↓

- Cluster

Chamber들의 복합체, 양산에서 사용됨.

 

 

2. 진공 제어 설비: Pump

  • 진공을 만드는 곳
  • 진공 (낮은 분자밀도) 의 목적
    • 불필요한 Gas 배기
    • MFP 확장으로 안정된 플라즈마 유지
    • 반응 속도 제어
  • 진공의 분류
    • 저진공 or 중진공 : Rotary Pump (연구소), Dry Pump (양산 단계)
    • 고진공 : Turbo-Molecular Pump (양산 단계), Cryo Pump

 

3. Gas 제어 설비 : MFC, Scrubber

  • 반도체 공정의 gas: 고순도, 위험성 ↑ ( → 배기 주의 → Scrubber 사용)
  • process에서는 총량 X / 유량 제어 (→ MFC 사용)
    • 총량 제어시 시간이 지남에 따라 공정 속도가 변하는 변수 발생

 

▶ IC Process

  • 전공정
    • FEOL (Front-End-Of-Line) : 소자 제작
    • BEOL (Back-End-Of-Line): 배선 공정
  • 후공정
    • 양품 Chip 검사 및 패키징

 

▶ CMOS ( PMOS + NMOS )

Process Flow는 ppt 참고 (p.60~73)