반도체 제조 공정, 두 번째 반도체 이야기

(지난 호에서 이어집니다) 포토리소그래피(photolithography)는 옵티컬 리소크래피(optical lithography) 또는 UV 리소크래피라고도 불리며 반도체 공정에서 박막(薄膜)이나 기판(基板)의 선택된 부분을 패터닝(patterning)하는데 사용합니다. 사전에 원하는 패턴이 형성되어 있는 포토마스크(photomask)에 빛을 쏴서 그 밑에 있는 웨이퍼 위에 그림자가 생기게 하고(이 과정을 노광이라고 부릅니다), 그 그림자 패턴은 빛이 사라지면 사라지므로 웨이퍼 상에 그림자 패턴이 남아있도록 하는 방법이 필요합니다.

웨이퍼 상에 감광성(感光性) 재료(포토레지스트 또는 레지스트라고 부릅니다. 빛을 받은 부분이 잘 녹아나는 성질로 변하는 레지스트를 포지티브 레지스트라고 부르고, 잘 녹아나는 성질을 갖고 있다가 빛을 받으면 잘 녹지 않는 성질로 변하는 레지스트를 네거티브 레지스트라고 부릅니다)를 코팅해주는데, 노광(露光) 공정을 통해 형성된 그림자 패턴에 의해 성질이 변하게 됩니다(포지티브 레지스트를 코팅했다고 가정하면, 그림자 패턴에 의해 빛을 받은 부분의 레지스트는 녹기 쉬운 성질로 변합니다. 이렇게 맺힌 상은 눈에 보이지는 않습니다. 그래서 잠상이라고 부릅니다. 네거티브 레지스트를 코팅한 경우는 반대의 상황이 되겠지요).

 

이미지출처 : (좌)http://goo.gl/fQzcSa (우)http://goo.gl/xpwjfV

노광이 끝난 웨이퍼를 현상액(現像液)에 노출시키면 녹기 쉬운 성질로 변한 레지스트 부분이 녹아나게 되어 그림자 패턴이 웨이퍼 상에 남게 됩니다(눈에 보이지 않던 잠상이 현상에 의해 눈에 보이는 상으로 변하게 되는 셈입니다). 이때 포지티브 레지스트를 코팅한 경우에는 마스크의 패턴과 같은 패턴을 보이게 되고, 네거티브 레지스트를 코팅한 경우에는 마스크의 패턴과 반대인 역상(易象)의 패턴을 보이게 됩니다. 자, 이제 웨이퍼 위에 특정한 패턴을 보인 레지스트가 형성되어 있는 상태입니다. 바꾸어 말하면, 웨이퍼 위의 어떤 부분은 SiO2가 레지스트에 의해 덮여 있고 다른 부분은 노출된 상태로 있습니다.

이제 웨이퍼에 식각액(蝕刻液)을 뿌려줘 볼까요? 레지스트에 의해 덮여 있는 SiO2 부분은 식각액이 닿지 못하므로 아무런 일이 벌어지지 않습니다. 하지만 노출된 SiO2 부분은 식각액에 의해 녹아나게 됩니다. 그런 후에 레지스트를 제거합니다(이 공정을 스트립이라고 부릅니다). 결국, 레지스트에 의해 보호받은 부분의 SiO2만 남아 있고 레지스트에 의해 보호받지 못한 부분의 SiO2는 제거되어 원래 포토마스크 위의 패턴과 같은 SiO2 패턴이 웨이퍼 위에 형성되었습니다.

 

소스와 드레인, 그리고 게이트를 형성하여 MOSFET을 만들어봅시다. p형의 기판을 가정해 봅시다. 트랜지스터를 형성하기 위해 소스와 드레인은 n형으로 만들어줘야 하는데 어떻게 하면 될까요? 예전에는 n형 불순물(dopant)을 가스 형태로 공급하면서 높은 온도로 가열해 불순물이 웨이퍼 속으로 확산(擴散)해 들어가는 방법을 사용했었습니다. 쉽고 값싼 방법이었으나 불순물의 깊이 방향으로의 양을 정밀하게 조절하기 어려운 문제가 있었지요. 소자의 집적도가 높아지면서 불순물 주입의 정확도가 요구되면서 다른 형태의 불순물 주입 방법을 고려하게 되었는데, 불순물을 이온화시켜서 웨이퍼 방향으로 가속시켜 불순물을 주입하는 방법을 사용하게 되었습니다. 이온의 양과 가속에너지를 정밀하게 제어할 수 있으므로 정확한 불순물 주입이 이루어지게 되었습니다.

갑자기 내용이 어려워졌다고요? 걱정 마세요. 차근차근 살펴보도록 하겠습니다. 검은깨 두부를 먹어봤나요? 필자는 검은깨 두부를 어떻게 만드는지 모르니 기대는 마세요. 다만 두부 속에 검은깨를 두부 표면에서 일정 깊이까지 일정량만을 정확하게 넣고 싶습니다. 검은깨 한 줌을 확 뿌리면 깊이 박힌 것부터 표면에 붙어 있는 것까지 다양하게 나타날 것입니다. 깨를 정교한 기계에 넣고 균일한 힘으로 분사하고, 공기의 저항을 막기 위해 진공 속에서 공정을 진행한다면 꽤 균일한 깊이에 검은깨가 분포하게 될 것입니다.

이미지출처 : http://goo.gl/GW9LFu

이온 임플란테이션도 비슷한 원리로 이해하면 됩니다. 이온 임플란테이션은 원하는 이온을 형성하는 이온 소스(ion source), 이온을 고에너지 상태로 가속시키는 가속기(accelerator), 이온이 충돌을 일으키는 타겟 체임버(target chamber)로 구성됩니다. 장비 제조업체마다 다양한 아이디어를 가지고 이온 소스를 제조하지만, 기본적인 원리는 전기적으로 중성인 공정 가스(원하는 불순물)에 전자(보통 열전자 형태로 텅스텐 필라멘트에 전류를 흘려주면 저항으로 뜨거워진 텅스텐 표면에서 열전자가 튀어나오지요. 이 열전자는 전기장에 의해 가속되면서 에너지를 갖게 됩니다)를 충돌시켜 가스가 전자를 잃어(가속으로 에너지를 얻은 열전자가 공정가스와 충돌하여 가스의 최외각 전자를 떼어냅니다) 양이온이 되도록 하는 것입니다.

이미지출처 : http://goo.gl/OT0QXd

이때, 이온 소스에는 우리가 원하는 이온만 형성되는 것이 아닙니다. 여러 잡다한 이온 중에서 웨이퍼에 최종적으로 주입될 이온만 선택하는 analyzer라는 장치가 있습니다. 전하를 띠고 있는 이온은 전기장에 의해서 가속이 되지만 전기장에 의해서 경로가 휘기도 합니다.

중학교 때 물리학에서 로렌츠의 힘이라는 것을 배웠습니다. 전하가 자기장 속에서 이동(전하의 이동을 전류라고 하지요)할 때 자기장과 전류의 이동 방향에 수직인 방향으로 전하의 이동방향이 휜다는 것입니다. 이동방향이 휘는 정도는 전하량과 질량에 따라서 다릅니다. 아무래도 전하량이 크면 더 많이 휘고, 질량이 크면 덜 휩니다(어렵다고요? 전기장과 자기장은 상호 간섭을 합니다. 그러므로 전하량이 클수록 더 크게 간섭하는 것입니다. 하지만 질량이 큰 것은 움직임이 둔합니다. 즉 간섭하는 양을 줄이는 역할을 하겠지요). 이 원리를 이용한 것이 옛날 브라운관 텔레비전의 전자총이지요.

이미지출처 : http://goo.gl/XwMy3b

아무튼, 로렌츠의 힘으로 모든 이온이 제각각 다른 반경으로 휘게 되는데 작은 구멍을 가진 장애물을 설치해서 잡다한 이온들은 장애물에 걸려 통과되지 못하도록 하고 원하는 이온만이 통과되도록 합니다. 이렇게 웨이퍼에 주입될 이온빔(ion beam)만이 선택받게 됩니다.

이미지출처 : http://goo.gl/OT0QXd

선택받은 이온빔은 높은 전압에 의해 가속되어 웨이퍼로 향하게 되고 최종적으로 타겟 체임버에 놓여 있는 웨이퍼 표면을 때리게 됩니다. 이온은 전하를 띠기 때문에 이온의 흐름은 전류의 흐름으로 모니터링되며, 타겟(웨이퍼)에 입사되는 이온의 양은 시간에 따라 누적된 양이 됩니다. 이 누적된 이온의 양은 이온 전류의 시간에 대한 적분값(컴퓨터가 알아서 계산해 주니 걱정 마세요)으로 불순물의 도스(dose)라고 부릅니다.

이온의 에너지는 가속전압에 따라서 결정되는데, 에너지가 크면 불순물이 웨이퍼의 깊숙한 곳까지 도달하고 에너지가 작으면 웨이퍼의 표면 쪽에 이르겠지요. 이렇게 불순물의 도핑 양과 깊이를 조절한답니다. 강한 에너지의 이온빔이 웨이퍼를 때리면 원치 않는 현상들도 일어납니다. 실리콘 원자들의 규칙적인 배열을 흩어버리거나 심지어는 실리콘 원자를 표면 밖으로 떼어내기도 하는 등 손상을 입히기도 한답니다. 이러한 결점에도 불구하고 불순물 도핑 공정에서 이온 임플란테이션은 주요 공정 중 하나로 자리매김하고 있습니다.

이미지출처 : (좌)http://goo.gl/G7FP9P (우)http://goo.gl/feG3Ce

이온 임플란테이션은 의도치 않게 웨이퍼에 손상을 입힌다고 했지요? 실리콘 원자들이 규칙적으로 배열된 곳에 강한 에너지를 갖고 충돌해 들어온 불순물(不純物, 도펀트)들은 원자들의 사이를 비집고 들어가 존재합니다(불순물 원자가 실리콘 결정 속의 침입형 자리에 존재한다고 부릅니다). 불순물이 반도체의 전기적 특성을 주기 위해서는 실리콘 원자들의 일부를 치환해서 잉여 전자 또는 잉여 정공(전자의 결핍과 같지요)을 생성해야 합니다. 아주 높은 온도를 가해 주면 이렇게 실리콘 원자 사이에 비집고 들어온 불순물들이 원래 있던 실리콘과 자리를 바꾸어(치환) 드디어 잉여 전자 또는 잉여 정공을 형성하여 n형 또는 p형의 전기적 특성을 갖게 됩니다. 이런 과정을 도펀트의 활성화(activation)이라고 부르고 도펀트의 활성화를 위해서 웨이퍼는 1,000도 이상의 열처리를 받게 되며, 이 공정을 RTP(rapid thermal process)라고 부릅니다. 이번 호에서는 MOSFET의 FEOL의 주요 공정을 살펴보았습니다.