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우리 사회에서 가장 중요하고 많이 사용되는 물질.
'반도체'는 전 세계의 사람들이 살면서 못 들어본 사람이 없을 정도로 우리에게 유용하다.
특히 전자전기분야, 혹은 그냥 공대생이기만 해도 반도체라는 학문에서 자유로운 학과가 거의 없을 정도이다.
그만큼 중요한 반도체라는 물질. 그 물질을 공학자들이 어떻게 만들어 가는지에 대해서 알아보고자 한다.
-반도체 8대 공정-
반도체 산업에 조금이라도 관심이 있거나 관련 학문을 배워봤다면.
반도체를 만드는 공정의 가장 큰 틀 8가지가 있다는 것을 들어봤을 것이다.
이를 우리는 '반도체 8대 공정' 이라고 부른다.
미세한 반도체를 만드는 과정은 흡사 건축을 하는 것 처럼 재료를 하나하나 쌓아 올려가는 과정이다.
먼저 자세한 공정의 기술들을 살펴보기 전에 큰 틀에서 어떤 것을 하기위한 공정인지에 대해 간략히 알아보자면.
1. 웨이퍼 제조 공정
반도체 소자와 회로를 구성함에 있어서 가장 기본적인 기반이 되는 '웨이퍼'는 지구로 치면 '지반'이라고 할 수 있다.
그만큼 가장 기본이 되는 토대라는 것이다.
우리가 애국가 영상에서 볼 수 있는, 방진복을 입은 사람들이 카트에 넣어 끌고 다니는 파란색 기판이 바로 웨이퍼이다.
우리가 대부분 사용하는 웨이퍼는 '실리콘 웨이퍼' 이다.
웨이퍼의 크기는 50mm ~ 300mm 까지 다양한 크기와 종류가 있다.
이러한 종류와 크기는 실제로 만들어내고자 하는 소자나 회로의 집적도, 기능에 따라 선택된다.
2. 산화공정 (Oxidation)
웨이퍼를 만들어낸 이후, 그 웨이퍼는 가장 먼저 '산화공정' (Oxidation)을 거치게 된다.
말 그대로 산소 분자가 붙어 '산화' 된다는 것인데.
정확하게는 실리콘(Si)로 이루어진 실리콘 웨이퍼 위에 산화가 될 물질인 산화제 : 물(H2O), 산소(O2)를 주 재료로
산화제에 열에너지를 공급하여 이산화규소 (SiO2)막을 형성하는 공정이다.
산화시키는 방법 또한 습식산화와 건식산화로 종류가 나뉘는데. 자세한것은 뒤의 과정에서 알아보겠다.
FET 계열의 전계효과 트랜지스터를
한번 공부해 봤다면 많이 들어본 물질일 것이다.
이렇게 만들어지는 산화막 SiO2는 절연체로써 반도체를 만들기 위한 기초를 닦는다.
3. 포토공정 (Photolithography)
다음은 바로 반도체 공정의 꽃이라고 불리는 '포토공정' (Photolithography) 이다.
포토공정은 이름과 같이 준비된 산화웨이퍼 위에 원하는 회로나 소자의 모양을 빛을 이용해 찍어내는 것이다.
웨이퍼를 만들어낸 후 처음으로 우리가 만들고자 하는 결과물을 그려내는 작업이기 때문에 미세화 하기위한 높은 수준의 기술력을 필요로 하고 또 많이 발전된 공정중 하나이다. (처음으로 패턴을 형성하는 단계 !)
뉴스에서 자주 들어볼 수 있는 3나노 공정, 5나노공정 등 할 때 얘기하는 것이 포토공정에서의 미세화 기술수준이다.
포토공정에서 주요한 역할을 하는 것들은 1. 마스크 2. 렌즈 3. 감광제(PR) 4. 빛 으로 추려볼 수 있다.
간단하게만 공정과정을 살펴보자면.
마스크에는 우리가 만들고자 하는 회로의 모양, 혹은 소자의 모양이 담겨있고
웨이퍼 위에는 감광제 PR을 도포해 포토공정을 준비한다. (사진의 필름과 비슷)
이후 빛을 렌즈의 굴절을 이용해서 마스크 - 렌즈 - 웨이퍼 순으로 빛이 통과하게 되고 감광제에 빛이 닿게된다.
이후 빛이 닿은 부분과 닿지 않는 부분의 감광제 반응으로 마스크 위의 모양을 얻어낸다.
이렇게 하나의 포토 공정을 거치기 위해서는 또 감광제의 도포(Diospenser), 노광(Exposure), 현상(Develop) 의 세부 공정으로 다시 나뉘어 각각을 자세히 알아볼 필요가 있는데, 이는 뒤에서 자세하게 살펴보겠다.
4. 식각공정 (Etching)
포토공정을 거쳐 PR을 원하는 부분만을 남겼다면. 다음은 정말 우리가 만들기 원하는 재료의 부분을 남길 차례이다.
'식각공정' (Etching)은 포토공정에서 형성된 감광액 부분을 남겨둔 채 나머지 부분을 벗겨내는 과정이다.
(PR의 모양 그대로 벗겨내지기 때문에 PR이 있는 부분만 남게 된다)
식각은 주로 반응성 기체(Gas)를 이용하는 건식(dry), 또는 화학용액의 반응을 이용한 습식(wet)으로 나뉜다.
포토공정에서 아무리 정확하게 감광엑에 빛을 조사했다고 한들, 식각의 과정에서 실제 우리가 원하는 회로물질을 제대로 깎아내지 못하거나, 과도하게 깎아내게 된다면 회로의 완성도와 신뢰도가 크게 떨어지게 된다.
따라서 두가지 방식의 식각 과정의 특징을 이해하고 적절히 사용하는 것이 필요하다.
정확한 특징과 방법에 대해서는 뒤에서 자세하게 살펴보겠다.
5. 증착&이온주입 공정 (Deposition & Ion implantation)
먼저 '증착공정' (Deposition)은 말 그대로 원하는 재료를 기판 위에 덮어 얇은 막(박막)을 만들어주는 과정이다.
이러한 박막을 덮어주는 과정은 다양한 재료가 몇겹으로 쌓여 올라가는 반도체 소자와 회로에서 각각의 층을 구분해 주거나 독립적으로 구별해줘야 하는 재료들을 나눠주어야 하기 때문이다.
증착의 방법도 사용하는 방식에 따라 물리적 방법(PVD : Physical Vapor Deposition)과 화학적 방법(CVD : Chemical Vapor Deposition)으로 나뉜다.
이렇게 박막을 형성하는 공정 안에서. 반도체가 전기적인 성질을 가지게 하는 공정 이 같이 진행되어야 한다.
반도체의 역할을 할 수 있으려면, 전기가 통하는 도체, 통하지 않는 부도체를 명확히 해 주어야 하기 때문이다.
처음 실리콘 Si는 안정한 성질로 전기가 잘 통하지 않는 물질이나, 실리콘에 15족 원소 인(P) 혹은 13족 원소 붕소(B)를 도핑하게 되면 각 n형, p형 반도체가 되듯이. (고등학교 물리1 과정에서도 배운다)
이 과정을 거쳐 반도체가 되기 위해. 불순물인 각 물질의 이온(Ion)을 주입해주어야 한다.
(이 때 이온을 미세한 가스입자로 만들어 원하는 깊이만큼 웨이퍼 전면에 균일하게 넣어주는 것이 중요하다)
이 과정에서 박막을 얼마냐 얇고 균일하게, 원하는 이온을 원하는 깊이만큼 균일하게 넣어주었냐가 반도체 전체의 품질을 좌우할 정도로 증착공정과 이온주입공정은 중요하다. (회로선폭 자체가 엄청 미세해지고 있기 때문)
6. 금속배선공정
지금까지 해온 공정은 모두 반도체가 되기 위한 골격을 잡는 공정들이였다면, 최종적으로 만들어진 웨이퍼 위의 수많은 반도체 회로를 동작시키기 위한 신호를 받아올 수 있도록 금속선을 이어주어 완성시켜야 한다.
반도체 회로에 사용될 금속배선은 저전압을 위한 전기저항이 낮은 특성, 또한 열과 화학적 반응에 특성이 변하지 않는 안정성 등 여러가지 조건을 따져 재료를 선별하게 된다.
이러한 조건들을 모두 충족하고 많이 쓰이는 금속으로는 알루미늄(Al) 티타늄(Ti) 텅스텐(W)이 대표적이다.
(위의 사진에서 주황색으로 표시된 부분이 금속 배선부이다)
금속배선 역시 다른 재료들과 동일하게 증착공정(Depo.)을 통해 이루어진다. 이 때 금속배선에 사용되는 금속이 웨이퍼상의 물질과 결합하거나 영향을 끼쳐 변화하지 않도록 '베리어 메탈'이라는 층을 하나 더 증착시켜 이중으로 박막을 형성한다. (접합면 파괴 방지)
여기까지 공정이 진행이 됐다면. 하나의 반도체 회로로써 동작시킬 수 있게 된다.
7. EDS 공정 (electrical Die Sorting)
위의 공정까지 진행이 됐다면. 이미 우리가 원하는 회로의 모습이 완성된 것이다.
무엇을 만들어 냈을 때 모두 그러하듯이. 반도체 칩도 동일하게 원하는 동작을 하는지에 대한 테스트가 진행된다.
'EDS 공정'은 지금까지 진행된 공정으로 만들어진 반도체 회로에 대한 테스트이다.
실제 우리가 원하는 동작을 생성된 반도체 칩이 몇개나 똑바로 수행하는지를 본다는 것이다.
이 때 EDS공정에서 통과되는 반도체 칩의 개수에 따라 그동안 진행했던 공정의 수율이 계산된다
(높은 수율을 잡기 위한 사람들이 공정 엔지니어이다)
EDS 공정의 목적을 정리해 보자면.
1. 웨이퍼 상태 반도체 칩의 양품/불량품의 판별 (원하는 동작을 정확히 수행하는 칩을 구별)
2. 불량 칩 중 수선 가능한 칩의 양품화 (불량 칩 중에서 소생 가능한 소자를 찾아내어 소생)
3. FAB 공정 또는 설계에서 발견된 문제점의 수정 (어느 공정에서의 불량인지 찾아내고 원인을 해결해서 수율향상)
4. 불량 칩을 미리 선별해 이후 진행되는 패키징공정 및 테스트 작업의 효율 향상.
이 과정은 전기적 특성을 측정하는 단계부터 특정 환경에서 잘 버틸 수 있는지에 대한 내구도 측정까지 이루어진다.
8. 패키징 공정 (Packaging)
'패키징 공정'은 우리가 일상 생활에서 볼 수 있는 칩의 모습으로 탄생시키는 작업이다.
출하하기 전에 EDS공정으로 양품, 불량품을 한번 검토했다면 (웨이퍼 완성단계)
웨이퍼에서 단일 칩으로 잘라져 완벽한 반도체 제품으로 완성되기 위한 공정과 테스트를 한번 더 거치게 된다.
전공정 (앞의 반도체 제조공정)을 통해서 완성된 웨이퍼상의 반도체 회로는 베어칩(bare chip)이라고 해서 외부와 전기신호를 주고받을 수 없고, 충격에 의해 쉽게 파손될 수 있는 상태이다.
이제 회로에 신호를 외부에서 인가할 수 있도록 길을 만들어주고 다양한 외부환경으로부터 보호받는 형태의 양품 칩으로 만들어내는 과정이 바로 '패키징 공정'이다.
먼저 잘라낸 칩들을 외부의 신호기와 연결할 수 있도록 전선(wire)을 까는 작업을 해 준다.
웨이퍼 단계에서 했던 '금속배선공정'과 느낌이 비슷하지만, 외부와의 통신을 가능하게 해준다는 점에서 다르다.
금속 연결 공정을 거치고 반도체 집적회로를 보호할 성형 공정등 세부 공정을 거치게 되면 반도체 칩이 완성된다.
이 때 이대로 끝이 나닌, 패키지 테스트(Package Test)또한 최종적으로 진행하게 된다.
이 테스트 과정에서는 완제품 형태를 완벽히 춘 후에 검사를 진행하기 때문에 'Final Test'라고도 한다.
이렇게 패키징된 반도체를 검사장비에 넣고 다시한번 전기적 특성과 내구도에 대해서 테스트하고 제품의 질을 향상시키기 위한 feedback또한 진행하게 된다.
자 이렇게 우리가 일상에서 쉽게 볼 수 있던 반도체의 탄생 과정을 간략하게 살펴보았다.
일상에서 쉽게 볼 수 있던 반도체이지만, 하나의 반도체 칩이 탄생하기까지의 과정은 일상적이지 않다.
간단한 기본 틀만을 이해하는데에도 오랜 시간이 걸리고 그 각 공정의 세부 공정까지 이해하려면 오랜 시간이 필요하다.
따라서 반도체를 만드는 설계/제조 회사에는 각 분야의 전문가들이 '공정 엔지니어'로서 근무하고 또 연구한다.
다음 포스트부터는 각 공정의 세부 공정과 특징, 공정 방법등에 관해서 알아보겠다