반도체 공정 주요 재료 (Polysilicon, Silicon Oxide, Silicon Nitride, Metal, Polymer)

들어가는 글

반도체 공정에서는 Si을 비롯해 매우 다양한 물질이 사용된다. 이번 포스팅에서는, 반도체 공정에서 주로 사용되는 여러 재료들에 관해 알아보도록 하겠다. Si 기반 물질인 polysilicon, silicon oxide, silicon nitride를 비롯하여 metal, polymer에 관해 알아보도록 하겠다.

Polysilicon (Poly-Si, 폴리실리콘)

polysilicon은 보통 CVD 방식으로 증착된다. polysilicon은 intrinsic stress가 커서 annealing 공정이 필요하다는 특징이 있다. 여기서 intrinsic stress란 박막이 성장하는 과정에서 발생하는 stress로, wafer의 휘어짐을 야기할 수 있다. polysilicon의 대표적인 사용처는 MOSFET의 gate이다.

Silicon Oxide (실리콘 산화막)

silicon oxide는 oxide의 구성비에 따라 SiO2, SiOx 등으로 만들어진다. 특히 많이 사용되는 것이 silicon dioxide인 SiO2이다. 대표적인 절연 물질로서, MOSFET의 gate oxide로 사용될 뿐 아니라 금속 배선 사이 절연층, etch mask, 특정 박막의 표면을 보호하는 역할로 사용된다. sputtering, spin-on 등 여러 방식으로 증착할 수 있는데, 대표적으로 thermal oxidation과 CVD 방식으로 증착된다. silicon oxide는 열과 전기를 안정적으로 차단한다는 특징이 있다. etch시 selectivity가 높아서 Si은 유지하고 oxide만 제거한다. 700℃ 이상에서 soften, flow 하다는 특징이 있다. (말랑말랑해지고 옆으로 흐를 수 있다는 의미이다.) polysilicon과 마찬가지로 intrinsic stress가 높다는 특징이 있다.

Silicon Nitride (실리콘 질화막)

silicon nitride는 N 질소와 Si 실리콘의 화합물로서, 질소 비율에 따라 Si4N4 또는 SixNy로 만들어진다. 특히 많이 사용되는 것은 Si3N4이다. 대표적인 증착 방식은 CVD이며, intrinsic stress를 조절할 수 있다는 특징이 있다. silicon nitride는 silicon oxide와 같이 절연물질이기 때문에, 마찬가지로 금속 배선 사이 절연층이나 etch/diffusion mask로 사용된다. 특히 silicon nitride는 최종 금속 배선층 위에서 소자 전체를 보호하는 passivation layer로 사용된다. 낸드플래시에서 ONO 구조에서 사용된다.

Metal

금속 배선을 비롯한 여러 contact, via, pad 등에 metal 물질이 사용된다. 반도체 공정에서 사용하는 대표적인 metal 물질로는 Al(알루미늄), Cu(구리), Ni(니켈), Ti(티타늄), W(텅스텐)이 있다. Al, Cu는 주로 배선 물질로 사용된다. 다양한 metal 물질을 증착하기 위해 sputtering이나 evaporation과 같은 PVD 공정을 비롯하여 electroplating(전기도금법)이나 CVD 방식이 이용된다.

polymers (고분자 중합체)

polymers(폴리머)는 고분자 중합체로서, 분자량이 큰 입자들이 결합된 물질을 말한다. 이러한 점으로 인해 polymers는 반복적 구조를 띈다는 특징이 있으며, 주로 공유결합을 이루고 있다. 반도체 공정에서 polymers는 대표적으로 PR로서 사용된다. 이외에도 packaging 공정이나 가스/습도 센서에서 polyimide로서 사용된다.