반도체를 만들려면 여러 과정을 거쳐야 합니다. 크게 8가지 단계가 있는데요, 삼성전자가 소개하는 8대 공정에 대해 간단히 알아보겠습니다.
반도체 8대 공정 – 전공정
웨이퍼 제조
웨이퍼(Wafer)는 회로를 올리기 위해 사용하는 기판으로, 모래에서 추출한 실리콘(Si)을 주원료로 만듭니다.
실리콘을 고온의 열을 가해 농축시키고 성장시키면 잉곳(Ingot)이라는 실리콘 기둥을 만들 수 있습니다. 이 기둥을 가로로 얇게 자르면 웨이퍼가 되는 겁니다. 웨이퍼가 크면 클수록 한 웨이퍼당 만들 수 있는 칩 수가 많아집니다. 저희 연구실에서는 8인치 웨이퍼를 사용했습니다.
산화 공정 (Oxidation)
웨이퍼의 재료인 실리콘(Si)은 공기 중에 놔두면 산화되어 SiO2층이 생깁니다. 이렇게 자연적으로 생긴 Native oxide는 정밀하게 컨트롤하기 힘들기 때문에 공정에 악영향을 줄 수 있습니다. 이외에도 공정하기 전에 먼지 같은 불순물로부터 웨이퍼를 보호하고, 누설 전류(leakage current)가 생기지 않도록 절연층인 oxide를 두껍게 쌓습니다. 산화 방법은 습식산화와 건식산화가 있습니다.
저희 연구실에서는 SiO2가 300nm가 올라간 웨이퍼를 썼습니다.
포토 공정(Photolithography)
Chip을 만들어야 하는데 웨이퍼 전체적으로 증착을 하면 아무 소용이 없겠죠?? 그래서 웨이퍼 위에 증착할 부분과 증착하지 않을 부분을 구분해야 하는데, 그 과정이 포토 공정이라고 할 수 있습니다.
감광액(PR, Photo Resist)을 웨이퍼 위에 코팅하고 자외선을 비춰주는데, 이때 Mask를 사용해서 웨이퍼에 원하는 패턴을 입히게 됩니다.
자세한 원리는 다른 글에서 다시 설명해 드리고, 지금은 포토 공정을 왜 해야 하는지만 알고 넘어가면 되겠습니다.
식각 공정(Etching)
공정을 하다 보면 필요하지 않은 곳에 증착된 막을 날려야 할 때가 있습니다. 이런 경우, 식각을 통해 박막을 날릴 수 있습니다. 박막의 균일성이 수율에 영향을 주기 때문에 Uniformity가 좋아야 하고, 공정 효율을 높여야 하므로 Etch Rate을 고려해서 식각 방법을 정해야 합니다.
식각공정도 산화공정과 마찬가지로 습식식각과 건식식각이 있습니다.
증착&이온주입 공정
포토 공정과 식각공정으로 기판 위에 원하는 패턴을 만들었으면 증착을 통해 박막을 깔고 다시 패터닝을 하고 증착을 반복합니다. 그러면 다음과 같은 구조를 형성할 수 있게 되죠.
증착은 크게 PVD(Physical Vapor Deposition), CVD(Chemical Vapor Deposition) 두 가지 방법이 있습니다.
- PVD: 기화나 sputtering같이 물리적으로 입자화시켜 웨이퍼 위에 흡착시켜 박막이 만들어지게 하는 방법으로 크게 Evaporation과 Sputter 방식이 있습니다.
- CVD: 화학반응을 통해 증착하는 방법으로 기체 상태인 물질을 기판으로 이동시키고 열이나 플라즈마를 통해 에너지를 가해 반응을 일으켜 박막을 형성시킵니다.
이온주입(Ion Implantation)은 반도체가 전기적인 성질을 갖게 만들어주는 공정입니다. 나중에 소자 단계에서 설명하겠지만, Si에 불순물을 첨가하여 N형 반도체와 P형 반도체를 만들 수 있고 이를 적절하게 배치하여 다이오드나 트랜지스터 같은 소자를 만들 수 있게 됩니다.
즉, 이온주입은 전도성을 가진 반도체로 만들기 위해 불순물을 넣는 과정이라고 생각하시면 되겠습니다.
금속 배선 공정
회로를 완성하기 위해서는 금속의 라인이 필요합니다. 반도체에서도 패터닝된 길에 금속의 라인을 깔아주는 공정을 하는데요, 알루미늄, 텅스텐, 티타늄 등을 사용합니다.
여기까지가 반도체를 만드는 과정, 즉 전공정 과정입니다. 이후로 반도체를 검사하고 포장하여 실제 제품으로 만드는 패키징 단계까지 후공정이라고 합니다.
반도체 8대 공정 – 후공정
EDS 공정
8대 공정 첫 번째 단계인 웨이퍼 제조에서 웨이퍼가 크면 클수록 한 번에 여러 개의 칩을 만들 수 있다고 말씀드렸습니다. 위의 그림을 보시면 웨이퍼에 여러 개의 칩이 만들어져 있는 것을 볼 수 있는데요, 칩의 성능을 테스트해서 수율을 확인하는 과정을 EDS(Electrical Die Sorting)라고 보시면 되겠습니다.
EDS의 목적은 다음과 같습니다.
- 정상 작동하는 칩과 비정상 칩 구별
- 비정상 칩 중 정상 칩으로 만들 수 있으면 양품화
- 어느 공정에서 문제가 생기는지 원인을 파악하여 수율을 높임
- 불량 칩을 미리 발견하여 이후에 있을 패키징 단계의 효율을 높임
저도 석사과정 동안에 반도체를 만들면 Probe station에서 DC sweep, Pulse test 등의 전기적 검사를 하고 소자 특성을 측정하고 분석해서 공정 레시피를 최적화하는 과정을 반복 반복 반복 반복했던 기억이 나네요,,,,,,
패키징 공정
드디어 마지막 단계입니다. 패키징은 테스트까지 완료된 반도체를 우리가 실생활에서 볼 수 있는 칩으로 포장해 주는 단계입니다. 우선 웨이퍼에는 여러 개의 칩이 만들어져 있으니 하나하나 잘라줘야겠죠? 이를 ‘웨이퍼 소잉(Wafer Sawing)’이나, ‘다이싱(Dicing)’라고 합니다.
이 개별 칩들은 충격에 굉장히 민감한데요(저도 칩을 만들고 측정하려고 옮기다가 떨어뜨린 적 꽤 많습니다, 그럼 바로 뽀각 ^^), chip의 손상을 방지하기 위해 우리가 많이 아는 PCB(Printed Circuit Board)나 리드프레임 위에 올려줍니다.
리드프레임이나 PCB는 칩을 보호하는 역할도 하지만 적절하게 배선하여 외부와 전기신호를 주고받게 만들어 주는데요, 크게 와이어 본딩 방식과 플립칩 방식이 있습니다.
이후로는 외부로부터 칩을 안전하게 보호하기 위해 밀봉하는 성형 공정(Molding)과 최종 테스트인 패키지 테스트(Package Test) 과정까지 끝나면 chip이 완성됩니다.
여기까지 반도체를 만드는 8대 공정에 대해 간략하게 알아봤습니다. 이후로는 각 공정에 대해 자세히 알아보도록 하겠습니다.
참고: 삼성전자 [반도체 백과사전]
