반도체 제조 공정

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.

먼저 Track에서 PR을 코팅해야 한다. 그러나 생 웨이퍼 표면에는 PR이 제대로 자리잡지 않기 때문에, 웨이퍼 표면의 전처리가 필요하다. 전처리를 한 웨이퍼에는 액상의 PR이 비교적 잘 코팅된다. PR이 코팅되면 약하게 열을 가해(soft bake) 용매로 쓰인 유기 물질을 날려 없앤다.

PR이 코팅된 웨이퍼는 Scanner로 이동하여 마스크를 대고 빛을 쪼인다. 대체로 ArF 광원을 사용하고, 공정 집적도에 따라 렌즈와 웨이퍼 사이에 물 층을 넣는 ArF Immersion 공정으로 진행하기도 한다. 더 짧은 파장의 EUV 공정도 있으나, 아직 양산에 이르지 못하고 있다. 이렇게 빛을 쪼이면 원하는 부분의 PR이 남고, 원하지 않는 부분은 이후 디벨롭(현상) 과정에서 제거할 수 있는 상태가 된다.

다시 웨이퍼는 Track으로 돌아와 현상을 하게 된다. 현상을 거쳐야만 비로소 웨이퍼 표면에 원하는 무늬의 PR만 남게 되고, 원하지 않는 부분이 제거된다. 웨이퍼는 이후 공정에 따라 etch, thin film, metal 등 다양한 과정을 거친다.

박막 공정

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

화학 기상 증착

박막으로 입힐 물질을 기체상으로 직접 공급하는 공정. 쿼츠 체임버에서 배치로 반응을 돌릴 수 있어 쓰루풋이 크지만, 배치 공정의 약점으로 한 체임버를 날리면 수십 랏을 말아먹는 비극이 발생하기도 한다. 화학 기상 증착으로 증착시킨 박막은 웨이퍼 앞뒷면에 모두 입혀진다.

물리 기상 증착

플라즈마를 발생시킨 체임버에 자기장을 형성하여 고체상의 금속 물질을 웨이퍼로 날려 붙이는 기술. 한 체임버에 하나의 웨이퍼만 반응시킬 수 있으며 앞면에만 박막이 입혀진다.

디퓨전 공정

퍼니스 공정

퍼니스 공정은 고온의 노(爐, furnace)에 웨이퍼를 집어넣고 “굽는” 공정이다. 배치와 싱글 두 타입의 공정이 모두 적용된다. 웨이퍼 표면에 산화막을 형성하거나 어닐링(annealing)을 위해 진행하는 공정이다.

임플란트 공정

이온 주입(임플란트) 공정에서는 웨이퍼의 특정 부위에 원하는 불순물을 주입한다. 입자를 가속시켜 웨이퍼의 원하는 부분에 충돌시키는 방식으로 진행되는데, 이 때 웨이퍼에 가해지는 충격을 보상하고 주입한 불순물과 규소 격자가 서로 결합하여 전기적 활성을 가지도록 후속 공정으로 어닐링을 진행하곤 한다. 주로 메모리 제품에서는 P-type 웨이퍼에 13족 원소의 불순물을 도입한다.

클리닝 공정

세정(클리닝) 공정에서는 웨이퍼 표면의 파티클이나 공정에 사용된 물질을 없앤다. 거의 모든 공정에 클리닝이 따라붙어 스텝 수가 상당하다. 세부적으로는 습식과 건식으로 나뉜다. 습식 클리닝에서는 SC-1, SC-2, 암모니아, 피라냐 용액, 불산 등의 클리닝 용액으로 웨이퍼 표면의 불순물을 녹여낸다. 건식 클리닝에서는 초임계 이산화탄소로 웨이퍼 표면의 불순물을 제거한다.

본디 반도체 공정의 꿀로 불리던 부분이지만, 공정이 미세화되고 스텝 수가 증가하면서 날이 갈수록 공정 난이도가 높아지고 있다. 클리닝 엔지니어에게 심심한 위로의 말씀을 전한다.

CMP 공정

CMP 공정에서는 웨이퍼를 직접 ‘갈아내’어 ‘평탄화’한다(polishing/planarization). 연마제와 패드를 이용하여 웨이퍼 표면을 갈아내면 울퉁불퉁한 박막이 깨끗하게 정렬되는 것을 확인할 수 있다. 연마제의 종류, 패드의 마모 정도, 연마 시간, 회전 속도 등을 조절하여 갈아낼 박막의 두께를 결정한다. 또한 광학적, 전기적 방법으로 박막의 두께를 실시간으로 측정하기도 한다.

CMP는 비교적 근래에 등장한 기술로 1980년대 IBM이 개발하여 1990년대 이후부터 반도체 공정에 도입되었다. 표면을 평탄화하여 포토에서 선명하게 회로를 찍어낼 수 있기 때문에 공정 미세화에 큰 공을 세운 공정이다. 연마제, 패드, 컨디셔너 디스크 등 소모성 부품이 많아 공정 난이도에 비해 비용이 상당하다. 삼성전자 같은 경우 대놓고 면접 문제에서 CMP 공정에서 사용한 슬러리의 재활용 방안에 대해 물어볼 정도라고.

금속 배선

실리콘 웨이퍼 위에 형성된 소자를 상호 연결하기 위해 금속으로 배선(metal interconnect)하는 작업이다. 전통적으로는 알루미늄을 증착하여 회로를 형성하였다. 알루미늄과 규소가 직접 접촉하면 서로 섞이려 하기 때문에 접점이 파괴될 수 있으므로 배리어 메탈을 도입하여 사용하였다. 그러나 공정 미세화로 알루미늄 증착의 한계가 있어 텅스텐이나 구리로 박막을 형성하고 이를 CMP로 격리(isolation, 이하 ISO)시켜 회로를 형성하는 기술이 널리 사용되고 있다. 따라서 금속 배선은 단일 공정으로 불리는 것이 아니라 포토, 에치, PVD, CMP, 클리닝이 모두 수행되어야 이루어질 수 있다.

근자에 인기있는 구리 배선에 대해 조금 더 살펴보자. 구리는 전기 전도도가 좋고 값이 저렴한 관계로 반도체 공정에 도입하려는 노력이 무수히 이루어졌다. 그러나 구리를 에칭하는 기술이 없고, 구리 이온이 오염 요소로 작용하기 때문에 오랫동안 도입이 곤란하였다. 그러나 IBM이 1997년 개발한 상감공법(Damascene process)으로 구리 박막을 입힌 뒤 이를 CMP에서 갈아내는 테크닉을 이용하면 반도체 배선에 구리를 사용할 수 있다. 보통 구리 공정은 크로스 컨탬을 막기 위해 팹의 별도 부분에 마련되어 있으며, 구리를 사용한 경우 다른 전공정 및 후공정에서 여러 가지 테크닉으로 잔류 구리 이온에 의한 컨탬을 방지하고 있다.