실리콘 웨이퍼 품질이 반도체 성능 및 신뢰성에 미치는 영향
1 소개
반도체 시장은 경제가 회복되면서 계속 성장하고 있습니다. 5G 및 신에너지 차량과 같은 새로운 애플리케이션은 전 세계 반도체 산업에 새로운 성장을 가져오고 있습니다. 세계반도체무역통계기구(WSTS)의 데이터에 따르면 2022년 세계 반도체 시장 규모는 전년 대비 3.3% 성장하여 사상 최고치인 5740억 달러에 달할 것으로 전망됩니다.
반도체 칩의 기초 소재인 실리콘 웨이퍼 산업도 고속 성장기에 접어들 것입니다. 소비자 가전 수요 반등과 AI 확산에 따른 수요 증가로 12인치 웨이퍼 팹은 2023년 하반기에 점진적인 회복세를 보이고 있습니다. 선도 기업의 발전이 가속화되고 최종 수요가 점진적으로 회복됨에 따라 이 부문은 2024년에 두 자릿수 성장을 실현할 것입니다.
반도체 제조에서 중요한 기본 재료인 실리콘 웨이퍼 (그림 1)의 결정 품질은 완성된 반도체 소자의 특성에 직접적인 영향을 미칩니다. 격자 품질과 결정립 경계 결함이 실리콘 웨이퍼의 전자 이동도에 미치는 영향은 디바이스의 속도와 전력 소비에 직접적인 영향을 미치며, 디바이스의 누설 전류를 증가시킬 수 있습니다. 실리콘 웨이퍼 표면의 평탄도와 오염 정도는 리소그래피, 박막 증착, 에칭과 같은 주요 단계에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다. 실리콘 웨이퍼의 불순물과 도핑은 전자 트래핑 증가, 캐리어 수명 단축, 디바이스 파라미터의 드리프트로 이어질 수 있습니다. 또한 실리콘 웨이퍼 준비 및 후속 처리 과정에서 온도 및 압력 응력이 발생하여 결정의 기계적 안정성과 전기적 특성에 영향을 미칠 수 있습니다.
2 실리콘 웨이퍼의 품질을 결정하는 주요 요인
2.1 결정 구조: 단결정 실리콘의 순도, 결정 결함
결정 구조 측면에서 실리콘 웨이퍼의 품질을 결정하는 핵심 요소는 결정 순도와 결정 결함으로 가장 자주 언급됩니다.
1. 결정 순도: 단결정 실리콘의 순도는 전기적 특성에 매우 중요합니다. 일반적인 산업용 실리콘(99.0-99.9%)은 반도체 특성을 갖지 못하지만, 매우 높은 순도(99.999999999)로 정제하면 우수한 반도체 특성을 보입니다. 고품질 단결정 실리콘은 일반적으로 전자 수준에서 99.999999999%(9중 9) 이상에 이릅니다.
2. 결정학적 결함: 실제 결정 공간 배열과 이상적인 공간 배열은 절대적으로 이상적인 규칙적인 주기적 배열로 만들 수 없기 때문에 다릅니다(그림 2). 대신, 배열에는 불규칙성과 수차, 이상적인 공간 배열에서 벗어난 편차가 있습니다. 도트 매트릭스에서 벗어난 구조 또는 영역을 일반적으로 결정 결함이라고 합니다.
그중에서도 전위는 매우 중요한 결정 결함입니다. 결정의 전위는 특정 범위의 원자가 원래의 평형 위치를 벗어나 규칙적으로 정렬이 어긋나는 매우 긴 선으로, 이를 전위라고 합니다.
2.2 표면 품질: 평탄도, 거칠기, 입자 오염도
1. 표면 오염: 웨이퍼 표면에 부착된 먼지, 입자, 오염물질 등의 이물질로 절단, 연마, 세정, 에칭 등의 공정에서 발생하는 파편이나 공기 중의 먼지, 화학 시약의 잔류물 등으로 인해 발생하는 결함을 말합니다. 이러한 중복은 웨이퍼의 평탄도와 청결도뿐만 아니라 후속 리소그래피, 도핑 및 기타 공정의 품질에 영향을 미쳐 집적 회로 구조의 결함이나 칩의 전기적 특성 변화로 이어질 수 있습니다.
2. 기계적 손상: 이 결함은 웨이퍼 절단, 연마, 취급 및 기타 공정에서 웨이퍼 표면 또는 가장자리의 스크래치, 치핑, 박리 및 기타 현상, 충격 또는 마찰에 의해 생성되거나 블레이드의 품질 또는 부적절한 매개 변수로 인해 표면 평탄도가 감소 할 수 있는 웨이퍼 표면 또는 가장자리를 말합니다. 이러한 기계적 손상은 웨이퍼의 무결성과 안정성에 영향을 미치고 칩의 파손 또는 분리로 이어질 수 있습니다.
2.3 치수 정확도: 웨이퍼 직경, 두께, 휨
웨이퍼의 크기와 두께는 임의로 선택되는 것이 아니라 공정 요건과 물리적 특성에 따라 결정됩니다. 웨이퍼 크기가 커지면 그에 따라 웨이퍼의 두께가 증가하여 기계적 강도와 휨을 유지하면서 가공 중 응력이나 휨으로 인한 손상을 방지합니다. 웨이퍼는 제조 공정에서 에칭, 이온 주입, 산화, 확산 등 다양한 물리적 및 화학적 처리를 거칩니다. 이러한 공정으로 인해 웨이퍼가 기계적 스트레스를 받을 수 있으며, 웨이퍼가 너무 얇으면 파손되거나 부서질 수 있습니다. 웨이퍼는 처리 중에 취급하고 배치해야 합니다. 웨이퍼가 너무 얇으면 구부러져 처리 정확도에 영향을 미칠 수 있습니다.
3 실리콘 웨이퍼 품질 요인이 반도체 디바이스 성능에 미치는 영향
3.1 결정 구조, 격자 결함
격자 결함의 일반적인 전위는 실리콘 단결정의 전기적 특성에 큰 영향을 미칩니다. 예를 들어 전위는 저항률과 캐리어 농도에 영향을 미치고 소수 캐리어의 수명을 단축하며 전자 이동성을 감소시킵니다.
1. 저항 효과: 전위는 결정 내에 국부적인 응력장과 불균일성을 유발하여 전자와 정공의 산란을 증가시킵니다. 이러한 산란은 캐리어 이동을 차단하여 재료의 저항을 증가시킵니다.
2. 캐리어 농도 효과: 전위는 추가적인 불순물 원자를 도입하거나 격자 내 원자 배열을 변경하여 반도체 재료의 캐리어 농도를 변화시킬 수 있습니다. 예를 들어, 전위 근처에 국부적인 응력장이 발생하면 원자의 위치가 이동하거나 변형되어 캐리어의 생성 및 억제에 영향을 미칠 수 있습니다.
3. 소수 캐리어 수명 단축: 전위는 재료의 캐리어 복잡성을 증가시킵니다. 반도체에서 캐리어 복잡화는 소수 캐리어(예: 소수 캐리어의 확산 길이 내에 있는 전자 또는 정공)의 수명을 단축시킵니다. 전위로 인해 발생하는 국부적인 응력장과 불균일성은 캐리어 상호 작용을 증가시키고 복합화 과정을 촉진할 수 있습니다.
4. 전자 이동성 감소: 전위는 결정 격자의 왜곡과 불균일성을 유발하여 결정 내 캐리어의 이동을 방해할 수 있습니다. 특히 전자의 경우 전위 및 결정립 경계와 같은 결함에 의해 격자 내에 흩어져 전자 이동도가 감소합니다.
3.2 표면 평탄도
실리콘 웨이퍼의 표면 평탄도는 반도체 소자에 연쇄적인 영향을 미칩니다. 이는 금속 전극이나 패키징 재료와 같은 다른 재료 또는 장치와 접촉하는 접촉면의 품질에 직접적인 영향을 미칠 뿐만 아니라. 접촉면의 품질은 접촉 저항 값에 직접적인 영향을 미치며, 외부 힘의 영향을 받아 접촉면이 고르지 않으면 다양한 데이터 변화가 발생하여 디바이스의 성능과 신뢰성에도 영향을 미칩니다.
또한 실리콘 웨이퍼 표면의 평탄도와 오염 및 기타 표면 조건도 포토리소그래피 사용과 구조를 정의하는 에칭 기술에 영향을 미칩니다. 에칭 기술과 포토 리소그래피는 종종 장치의 구조와 패턴을 조각하는 반도체 장치 제조 공정에서 사용되며 실리콘 웨이퍼의 표면 상태는 포토 리소그래피 및 에칭의 정확성, 그래픽의 품질 및 균일 성, 결정적인 역할로 생산되는 장치의 모양과 크기에 직접적인 영향을 미칩니다.
실리콘 웨이퍼는 중요한 박막 증착 기판 재료로서 표면 평탄도는 표면에 증착된 필름의 품질에 직접적인 영향을 미칩니다. 실리콘 웨이퍼 표면의 결함 및 오염은 고르지 않은 필름 증착, 필름 두께 불일치, 기포, 균열 및 기타 결함을 유발하여 장치의 성능과 안정성에 영향을 미칠 수 있습니다.
3.3 입자 경계 및 불순물
반도체의 저항은 포함된 불순물의 양에 매우 민감합니다. 아주 작은 불순물도 전도도 및 캐리어 이동성과 같은 실리콘의 전기적 특성에 심각한 영향을 미칠 수 있습니다. 특히 철, 구리, 마그네슘과 같은 일부 불순물은 전기적 특성에 큰 영향을 미칩니다. 불순물이 존재하면 전자 산란과 결정의 국부적 불균일성이 발생하여 디바이스의 성능과 신뢰성이 저하될 수 있습니다. 불순물 함량의 변화는 반도체 재료의 저항률에 상당한 변화를 일으킬 수 있습니다. 예를 들어 실리콘의 인 불순물 농도가 1021-1012 cm-3 범위 내에서 변하면 저항률이 10-4 Ω.cm에서 104 Ω.cm로 변합니다. 이렇게 넓은 범위에서 저항이 변하는 재료는 많지 않으며, 이는 반도체의 불순물 함량이 저항을 결정하는 주요 요인 중 하나라는 것을 보여줍니다.
3.4 웨이퍼 크기, 두께, 휨
제조 공정에서 실리콘 웨이퍼 크기의 직경이 클수록 제조업체에 유리한 것은 의심할 여지가 없습니다. 크기가 크고 직경이 큰 실리콘 웨이퍼는 더 많은 칩 장치를 생산할 수 있으며 장비 생산 효율을 효과적으로 향상시킬 수 있으며 동시에 낭비되는 재료의 가장자리를 줄여 추가 비용을 절감하고 장비 재사용률을 향상시킬 수 있습니다.
그러나 실리콘 웨이퍼의 크기는 임의의 결정이 아니라 생산 장비의 처리 능력에 따라 달라지며, 재료 자체가 응력의 역할을하기 때문에 웨이퍼 크기가 증가하면 재료의 구조적 안정성을 유지하기 위해 두께를 그에 따라 늘려야하며, 그렇지 않으면 웨이퍼 재료의 크고 얇은 두께의 크기가 웨이퍼 재료의 두께가 증가하면 파단 손실 및 기타 현상이 나타날 수도 있기 때문에 웨이퍼 재료의 두께가 그에 따라 증가 할 것입니다.
4 실리콘 웨이퍼 품질이 반도체 신뢰성에 미치는 영향
4.1 결함 밀도가 디바이스 수명에 미치는 영향
반도체 소자의 수명은 주로 물리적 수명과 유지보수 수명에 의해 결정됩니다. 물리적 수명은 정상적인 작동 조건에서 재료 노화 또는 마모로 인해 반도체 소자가 고장 나는 시간을 의미합니다. 실리콘 웨이퍼의 결함은 재료의 노화 과정을 가속화하여 단기간에 디바이스의 고장을 일으킬 수 있습니다. 동시에 결함으로 인해 전류 누설, 열 안정성 저하 및 기타 문제가 발생하여 디바이스 수명에 영향을 미칠 수 있습니다.
수리 수명은 반도체 디바이스가 고장 후 수리하여 정상적으로 작동할 수 있는 시간을 말합니다. 그러나 실리콘 웨이퍼의 결함 밀도가 너무 높으면 수리 과정에서 기기의 원래 성능을 복원하기 어렵거나 수리 비용이 너무 높아져 수리 수명이 단축될 수 있습니다.
실리콘 웨이퍼의 결함은 반도체 장치의 신뢰성에도 영향을 미칩니다. 결정 구조의 결함으로 인해 입자가 결정 구조의 이상적인 위치에서 벗어나 다른 위치에서 결합하고 결정 구조의 변화가 발생하며, 이는 고르지 않은 응력으로 나타나 작동 중 소자의 불안정성 또는 갑작스러운 고장으로 이어져 전체 전자 시스템의 안정성에 영향을 미칠 수 있습니다.
4.2 웨이퍼 품질과 누설 전류 및 항복 전압의 관계
누설 전류는 정상 작동 전압에서 반도체 소자에 흐르지 않아야 하는 전류를 말합니다. 실리콘 웨이퍼에 불순물, 격자 왜곡, 미세 균열 등의 결함이 있는 경우, 이러한 결함과 불순물, 특히 전도성을 가진 불순물 입자가 전도 채널을 형성하여 전류가 흐르지 않아야 할 곳에 전류가 흐르게 하여 누설 전류를 발생시킬 수 있습니다. 누설 전류가 발생하면 기기의 전력 소비가 증가할 뿐만 아니라 기기의 온도가 상승하여 기기의 성능과 수명에 영향을 미칠 수 있습니다.
항복 전압은 반도체 디바이스가 정상적인 작동 조건에서 견딜 수 있는 최대 전압입니다. 이 전압을 초과하면 전류가 갑자기 증가하여 디바이스가 손상되는 고장 전압이 발생할 수 있습니다. 실리콘 웨이퍼에 결함이 있으면 결함 부위에 전기장이 집중되거나 구조적으로 취약해져 더 낮은 전압에서 디바이스가 고장날 수 있기 때문에 디바이스의 항복 전압이 낮아질 수 있습니다. 따라서 실리콘 웨이퍼의 품질은 항복 전압에 상당한 영향을 미칩니다.
5 실리콘 웨이퍼 제조 및 품질 관리
5.1 실리콘 웨이퍼의 결정 성장 기술
현재 실리콘 결정 성장에는 리프트오프 방식이 일반적으로 사용됩니다. 도가니에 실리콘을 채우고 가열하여 도가니의 온도가 1685°C로 유지되도록 합니다. 이 온도는 실리콘 자체의 녹는점보다 약 100°C 높은 온도이므로 도가니 안의 실리콘은 용융 상태입니다. 도가니의 윗부분에는 리프팅로드가 있고 리프팅로드가 자유롭게 들어 올려 회전하도록하는 기계 장치가 있습니다. 작은 단결정 실리콘 조각을 레버 상단에 고정하여 도가니에 담급니다. 이 단결정 실리콘은 '씨앗' 역할을 하며 주변의 실리콘 원자를 끌어당겨 그 주위로 배열하여 결정을 형성합니다. 결정은 천천히 당기고 회전하면서 성장하며, 당겨지는 부분은 모두 같은 단결정에 속합니다. 큰 단결정은 직경이 200밀리미터로 팔뚝보다 두껍습니다. 이러한 결정은 인터페이스가 없고 결함이 없으며 인간이 만들 수 있는 가장 완벽한 단결정이라고 할 수 있습니다. 재료의 순도를 보장하고 불균일한 핵 형성을 방지하기 위해 모든 작업은 진공 또는 불활성 가스 보호 상태에서 수행해야 합니다. 결정에서 전위가 발생하는 것을 방지하기 위해 전통적인 단결정 실리콘 리프팅 방법은 결정화 성장 초기에 얇은 목을 만드는 것인데, 이를 "넥킹 방법"이라고 합니다. 네킹의 강도로 인해 100킬로그램이 넘는 단결정 실리콘을 들어 올리기가 어렵습니다. 상당한 양의 붕소를 첨가 한 후 종자 결정의 과학자들은 종자 결정의 강도를 크게 향상시켜 결정의 전위를 방지하여 더 이상 직경 3mm의 목을 생산할 필요가 없습니다. 이 새로운 방법은 30 년 동안의 넥킹 방법의 사용을 대체 할 것이며, 대형 단결정 실리콘을 생산할 수있을뿐만 아니라 결정 성장 시간을 단축하고 수율을 향상시켜 대형 단결정 실리콘의 가능성을 제공하는 데 필요한 초대형 집적 회로를 저렴하게 생산할 수 있습니다.
웨이퍼 성장을 위해서는 폴리실리콘을 용광로 석영 도가니에 넣거나 진공 또는 용융 후 불활성 가스를 통과시켜야 합니다. 용융된 실리콘이 안정화되면 단결정을 끌어낼 수 있으며, 이미 내부 결정 방향을 결정한 시드 크리스탈 조각을 액체 표면의 가이드로 사용합니다. 도가니 액체 표면의 높이, 고액 계면의 온도, 시드 크리스탈의 회전 속도를 조절하여 실리콘을 액체에서 다시 내결정 방향이 균일한 고체로 변형시켜 대경 단결정을 성장시킵니다. 자동 조정 과정과 리프팅 속도는 컴퓨터에 의해 제어되어 단결정 실리콘의 등방성 성장을 보장합니다.
5.2 실리콘 웨이퍼 표면 처리 기술
웨이퍼를 절단한 후에는 웨이퍼 표면의 평탄도를 보장하고 불순물 오염을 방지하기 위해 표면 처리를 거쳐야 합니다. 가장 널리 사용되는 처리 방법은 포토리소그래피, 에칭 등입니다. 웨이퍼 표면을 청소할 뿐만 아니라 표면 활성을 개선하고 재료 표면의 결합 능력을 개선하며 용접 능력, 친수성 등을 향상시킬 수 있는 플라즈마 세척과 같은 일부 세척 기술도 있습니다.
또한 웨이퍼를 반응 가스가 있는 반응 챔버에 넣고, 반응 가스를 웨이퍼 표면의 산화물과 반응시켜 반응 생성물을 형성하고, 웨이퍼를 최소 두 번 어닐링하여 반응 생성물을 분해 및 제거하는 등 혁신적인 처리 방법이 있습니다. 표면 처리 방법은 웨이퍼를 여러 번 어닐링하여 표면 처리 공정에서 생성된 반응 생성물을 여러 번 분해할 수 있으며, 각 어닐링 처리를 통해 반응 생성물을 분해하여 반응 생성물의 두께가 계속 감소하도록 합니다, 동시에 반응 생성물의 두께가 너무 두꺼워 반응 생성물의 분해가 어려운 것을 줄이고, 웨이퍼 표면에서 반응 생성물을 분해하기 쉽게 만들고, 표면 처리 과정에서 웨이퍼를 어닐링하는 횟수를 줄이고, 표면 처리 방법을 어닐링하는 횟수를 줄입니다. 이는 표면 처리 공정 중에 웨이퍼 표면에 잔류하는 반응 생성물의 양을 줄여줍니다.
5.3 실리콘 웨이퍼 품질을 위한 검사 기법
웨이퍼 결함의 존재로 인해 웨이퍼의 모든 칩에 대한 기능 무결성 테스트 중에 칩 불량이 발생할 수 있습니다. 칩 엔지니어는 칩의 위치를 구분하기 위해 테스트 결과를 다양한 색상으로 표시합니다. 다양한 운영 프로세스의 영향을 받아 웨이퍼에 특정 공간 패턴이 생성되고 이에 따라 테스트 결과가 달라집니다. 1997 년 Hansen 등은 결함이있는 칩은 일반적으로 응집 현상이 있거나 일부 체계적인 패턴을 나타내며 이러한 결함 패턴에는 일반적으로 공정 조건에 대한 필요한 정보가 포함되어 있다고 지적했습니다. 웨이퍼 맵은 칩의 무결성을 반영할 뿐만 아니라 결함 데이터에 해당하는 공간 위치 정보도 정확하게 설명합니다. 웨이퍼 맵은 전체 웨이퍼에 걸쳐 공간적 의존성을 보여줄 수 있으며, 칩 엔지니어는 종종 결함의 원인을 추적하고 결함 유형에 따라 문제를 해결할 수 있습니다. 넓은 면적, 작은 피처 크기, 낮은 밀도, 낮은 집적도를 가진 웨이퍼 패턴의 경우 전자 현미경으로 리소그래피 경로를 관찰하고 추적 감지를 직접 수행할 수 있습니다. 이미지 신호 처리 시스템을 사용하여 이미지 신호를 필터를 통해 여러 주파수 하위 대역으로 분해한 다음 평균, 표준 편차 및 웨이블릿 계수와 같은 기타 통계를 감지하고 계산하여 이상 징후를 감지할 수도 있습니다.
6 결론
반도체 제조의 기본 재료인 실리콘 웨이퍼의 결정 품질은 완성된 반도체 소자의 특성에 직접적인 영향을 미칩니다. 생산 및 테스트 프로세스의 기술 발전으로 실리콘 웨이퍼의 순도와 정밀도가 점진적으로 향상되어 향후 더 광범위한 응용 분야와 더 정확한 재료에 사용될 것입니다. 더 나은 애플리케이션 경험을 위해 Stanford Advanced Materials는 고품질 실리콘 웨이퍼 제품을 제공할 뿐만 아니라 상담 및 판매 후 처리를 포함한 완벽한 서비스를 제공합니다.
관련 자료
참고 문헌:
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[2]Martin M ,P. P M ,Yi S B , et al. 결정립 경계 산란이 요오드화 구리 박막의 캐리어 이동도 및 열전 특성에 미치는 영향[J]. 표면 및 인터페이스,2023,41.
