반도체 기초물성과웨이퍼 제조공정

배 영 호

위덕대학교 정보통신공학부yhbae@uu.ac.kr

반도체(semiconductor)란 ?

반도체의 의미도체(conductor)와 부도체(insulator) 중간 범위의 전기 전도도를 가지는 물질

반도체의 용도 : 전자 시스템의 부품Pentium chip, memory chip, transistor, diode

반도체의 역할스위치, 정류, 증폭, 전하축적, 발광, 신호감지, 연산, 기억

반도체의 성질적절한 공정으로 부도체에서 도체 범위에서 전도도 변화

주위 여건에 따라 전도도 등의 물성 변화

반도체 재료의 종류

AlGaAs

AlGaN

HgCdTe

AlGaAsP

InGaAsP

CdSe

ZnS

ZnSe

GaN

GaP

GaAs

InP

InSb

SiC

SiGe

Si

Ge

Ternary, Quarternary

II-VI compound

III-V compound

IV compound

Element

원자 구조

+1 -1

+14

수소

실리콘 알루미늄

+13

네온

+10

전자 : -1.6X10-19 [C]

핵=양성자+중성자

고체를 형성하는 원자결합의 종류

공유결합 금속결합이온결합

고체 내의 원자 배열

단결정(Single Crystal)

다결정(Polycrystalline)

비정질(Amorphous)

단결정 실리콘

Atomic number:14

Diamond structure

Atomic density:5X1022/cm3

Dielectric constant: 11.9

Energy gap:1.12 eV

Intrinsic EHP:1.5X1010/cm3

Intrinsic ρ : 2.3X105 Ω-cm

+14

실리콘의 도핑 : 전기전도도 변화

B

P+

P

B-

B

P-type silicon N-type silicon

전류 : 전하의 이동

AqnvdtdQI d==

dqnvAIJ ==

EEqnJ σµ ==

고체 내의 전기 전도

E

+ -

E

E

+ -

E

E

+ -

E

EEqnJ σµ ==E

µn

실리콘 반도체 물성의 변화

도핑 : 반도체에 도펀트 불순물 첨가극미량 첨가로 전기적 성질 변화

1/5,000,000,000 - 1/50

103 ohm-cm - 10-4 ohm-cm

산화 : oxidation이산화규소 : 전기적, 화학적, 기계적 특성 우수

Si + O2 → SiO2

1012-16 ohm-cm

반도체 개별소자와 집적회로

DRAM 기술의 발전

구 분 회로선폭 셀 크기 기억용량

16M DRAM 0.5㎛ 3.0㎛² 128장

64M DRAM 0.35㎛ 1.5㎛² 512장

256M DRAM 0.25㎛ 0.7㎛² 2,048장

1G DRAM 0.18㎛ 0.3㎛² 8,192장

4G DRAM 0.13㎛ 0.2㎛² 32,768장

1T DRAM 0.01㎛ 0.001㎛² 8,388,608장

CPU 기술의 발전

10,000,000 Tr in 1mmX1mm

새로운 구조의 FETs

Process Scope

ITRS Roadmap

≤ 0.06≤ 0.18≤ 0.18≤ 0.35≤ 0.35Particles(cm-2)

450300300300300Wafer

diameter(nm)

0.71.11.11.11.2Vdd (V)

0.50.91.01.11.2EOT (nm)

725283238L gate(nm)

1865708090Pitch (nm)

20182007200620052004Year

Device Processed Wafer

Czochralski Growing System

Czochralski Growth

Poly Crystal Silicon

Growing

Growing 2

Cz Ingot

Cropping

Cropping 2

Slicing

Slicing 2

Lapping

Etching

Heat Treatment

Polishing

Polishing 2

Cleaning

Packaging

Silicon On Insulator Wafer

SOI WFSOI WF

Bulk Si : Speed & Heat Issue !Bulk Si : Speed & Heat Issue !

SiliconBOX

Substrate(PW)

High SpeedMPU/MCU Multimedia & Internet(IBM, Motorola)

Low PowerPortable Systems Broadband & RF Device,PDA, Games…,(Philips, TI, NEC)

High SpeedMPU/MCU Multimedia & Internet(IBM, Motorola)

Low PowerPortable Systems Broadband & RF Device,PDA, Games…,(Philips, TI, NEC)

• High Switching Speed

• Soft-error Immunity

• Process Simplification

• Low Power Consumption

• Low Leakage Current

• High Switching Speed

• Soft-error Immunity

• Process Simplification

• Low Power Consumption

• Low Leakage Current

Advantage Advantage Applications Applications

Issue : Cost & QualityIssue : Cost & Quality

반도체소자의 발전

Modern MOSFET Influenza

Point contact Transistor

집적회로의 발전

1961 : 최초의 planar IC 현재 : Dothan 140M Trs

Clean Room의 발전

1968년 현재

Reference Sites

www.intel.com/research/silicon

http://public.itrs.net/Home.htm

http://www.lgsiltron.co.kr/html/gwfe/gwfe1030101m.htm

www.necst.or.kr