"반도체 제조 공정"의 두 판 사이의 차이

2017년 9월 4일 (월) 19:43 판

이 문서에서는 반도체 제조 공정에 대해 알아보도록 하자.

반도체 제품은 크게 여덟 가지 제조 공정을 거쳐 생산된다. 때문에 보통 “반도체 8대 공정”이라 불린다. 하여튼 이 8대 공정은 포토, 에칭(식각), 씬필름(박막), 디퓨전(확산), 임플란트(이온 주입), 클리닝, CMP, 배선을 이르는 것이다. 이들 공정은 단일 공정으로 끝나는 것이 아니라 제조 공정 중에 수십 회에서 백수 회까지 반복되는 공정이다. 각 단계에서 원하는 목적에 따라 자세한 공정 조건이 변화하는데, 이것은 각 반도체 제조사의 영업 기밀에 해당한다. 하여튼 아래에서 일반적인 반도체 제조 공정에 대해 하나씩 알아보도록 하자.

웨이퍼 제조

이 부분의 본문은 웨이퍼입니다.

8대 공정에 직접적으로 포함되기도 하고 빠지기도 하지만, 어쨌든 반도체 제품을 만드는 데 웨이퍼 이야기를 하지 않을 수 없으니 간략하게 소개한다.

반도체 제품은 규소 단결정 웨이퍼(wafer)로 만들어진다. 그러나 한번에 쨘 하고 웨이퍼가 되는 것은 당연히 아니다. 먼저 웨이퍼를 만들기 위해 규소 단결정 봉인 잉곳(ingot)을 만들어야 한다. 잉곳을 만들기 위해 기본적으로 규소 단결정을 녹이고, 용융 상태의 규소에 시드를 넣어 조금씩 결정을 성장시킨다. 대구경 잉곳일수록 결함 없는 결정으로 성장시키는 것이 대단히 어렵다. 특히 시드가 용융된 규소에 닿으면서 결정에 결함이 생기고, 이 결함이 잉곳 전체로 전파될 수 있어 이를 줄이려는 기술이 개발되어 있다. 봉 모양으로 길게 성장한 잉곳은 커팅과 표면 가공을 통해 우리가 익히 알고 있는 웨이퍼 형태로 최종 가공된다. 가공된 웨이퍼는 POSB라 불리는 용기에 25매씩 담겨 반도체 제조사에 공급된다.

만들어진 잉곳의 단면의 지름에 따라 12인치(300 mm), 8인치(200 mm), 6인치(150 mm), 4인치(100 mm) 등의 웨이퍼 표준이 있다. 파운드리나 종합 반도체 회사에서는 대체로 12인치 웨이퍼를 주력으로 생산하며, 일부 특성화 파운드리의 경우 여전히 8인치 웨이퍼를 사용하기도 한다. 2017년 현재 18인치(450 mm) 웨이퍼를 이용한 반도체 공정이 개발되고 있다. 장비와 웨이퍼 생산은 18인치에 대응하고 있으나, 실제 반도체 생산은 아직 기술을 개발하는 단계에 머물고 있다.

웨이퍼 제조사로는 한국의 SK실트론, 일본의 신에츠화학이 대표적이다. 그 외에도 유럽과 미국에 웨이퍼 제조사가 많이 있으나, 규소 원료를 만드는 회사는 일본과 유럽이 메이저이다.

포토 공정

포토 공정에서는 웨이퍼 표면에 감광제(photoresist, 이하 PR)을 코팅하고, 빛을 이용해 PR을 산화시켜 원하는 패턴을 찍고, 디벨롭(현상)하여 최종적으로 패턴의 형태를 그려내는 작업을 한다. 하나씩 알아보도록 하자.

감광제 코팅

먼저 PR을 코팅해야 한다. 그러나 생 웨이퍼 표면에는 PR이 제대로 자리잡지 않기 때문에, 웨이퍼 표면의 전처리가 필요하다.

노광

노광 공정에서는 PR이 입혀진 웨이퍼에 마스크를 대고 빛을 쪼인다. 이렇게 빛을 쪼이면 원하는 부분의 PR이 남고, 원하지 않는 부분은 이후 디벨롭(현상) 과정에서 제거할 수 있는 상태가 된다.

현상

현상을 하게 되면 비로소 웨이퍼 표면에 원하는 무늬의 PR만 남게 되고, 원하지 않는 부분을 제거할 수 있게 된다.

에칭 공정

박막 공정

데포지션(deposition) 또는 씬필름(thin film)이라고 부른다. 현업에서는 방식을 떠나 대체로 씬필름으로 퉁쳐 부르는 경향이 있다.

화학 기상 증착

물리 기상 증착

원자층 증착

디퓨전 공정

임플란트 공정

이온 주입(임플란트) 공정에서는 웨이퍼의 특정 부위에 원하는 불순물을 주입한다.

클리닝 공정

세정(클리닝) 공정에서는 웨이퍼 표면의 파티클이나 공정에 사용된 물질을 없앤다. 세부적으로는 습식과 건식으로 나뉜다.

본디 반도체 공정의 꿀로 불리던 부분이지만, 공정이 미세화되면서 습식 클리닝의 한계가 노출되어 날이 갈수록 공정 난이도가 높아지고 있다.

CMP 공정

CMP 공정에서는 웨이퍼를 직접 ‘갈아내’어 ‘평탄화’한다(polishing/planarization).

금속 배선

실리콘 웨이퍼 위에 형성된 소자를 상호 연결하기 위해 금속으로 배선하는 작업이다. 전통적으로는 알루미늄을 증착하여 회로를 형성하였다. 그러나 공정 미세화로 알루미늄 증착의 한계가 있어 구리 박막을 형성하고 이를 CMP로 격리(isolation, 이하 ISO)시켜 회로를 형성하는 기술이 널리 사용되고 있다.