오늘 알아볼 주제는 반도체 8대 공정입니다.
뉴스나 반도체 관련 자료를 조금 찾아 본 사람들이라면, 반도체 8대 공정이라는 말을 들어본 적 있을 거예요.
반도체를 만들기 위해서는 엄청나게 많은 단계들이 필요한데요, 이 단계들을 간단히 8단계로 나눠서 볼 수 있습니다.
반도체 8대 공정 간단 정리!
반도체 8대 공정
1. 웨이퍼 제조
2. 산화 공정
3. 포토 공정
4. 식각 공정
5. 증착 및 이온주입 공정
6. 금속배선 공정
7. EDS 공정
8. 패키징 공정
반도체 8대 공정이은 위의 8가지 단계를 말합니다.
조금 더 간단히 그림으로 볼까요?
1. 웨이퍼 제조
반도체 소자의 주재료이자 반도체칩을 만들기 위한 초석입니다.
대게 실리콘(Si) 단결정으로 구성된 얇은 원판을 Si 웨이퍼라고 해요.
우리는 이제 이 웨이퍼를 주재료로 사용하여 반도체칩을 제작할 수 있습니다.
웨이퍼는 어떻게 만들어지나요?
웨이퍼 제작에 대해 조금만 더 살펴보면 아래와 같습니다.
실리콘은 지구에서 산소 다음으로 많이 존재하는 원소라고 해요.
우리 주변에서 흔히 볼 수 있는 모래, 유리에도 Si가 들어가 있어요.
실리콘은 이러한 규석, 모래와 같은 Si가 포함된 광물을 고순도로 정제하여 만들 수 있다고 합니다.
먼저, 1) 지멘스공법 (simens) 이나 유동층반응기 공법 (FBR) 을 사용하여 고순도의 폴리 실리콘을 얻은 다음,
2) 단결정 실리콘 기둥, 잉곳을 만들어요. 잉곳 제작 방법은 쵸크랄스키법과 부유대역법이 있다고 합니다.
3) 잉곳의 연마, 절단, 세정 등의 공정을 걸쳐서 웨이퍼를 완성시킵니다.
2. 산화 공정
실리콘 웨이퍼 표면을 산화시켜 실리콘 산화막 (SiO2)을 형성, 웨이퍼의 절연막이자 보호막 역할을 합니다.
실리콘 웨이퍼 위의 실리콘 산화막은, 절연막 역할을 하면서 회로 간의 누설전류를 차단할 수 있고, 식각 방지 역할도 할 수 있다고 합니다.
실리콘 웨이퍼를 산화시키는 방법
실리콘 산화막을 만드는 방법, 간단합니다. 그냥 웨이퍼를 산소나 물에 노출시키면 됩니다.
실제로 순수한 Si 기판을 공기 중에 노출시키면 native oxide 층이 생기기도 합니다.
하지만, 반도체칩을 만들기 위해서는 균일하고 얇은 산화막을 형성해야 합니다.
균일하고 얇은 산화막 형성 방법 : 1) 건식 산화, 2) 습식 산화
먼저 건식 산화는 산소 기체만을 사용하여 실리콘 웨이퍼 표면을 산화시킬 수 있습니다.
건식 산화는 산화층을 치밀하게 성장시킬 수 있는 장점이 있지만, 산화막 성장 속도가 엄청 느리다고 합니다.
습식 산화의 경우에는 산소 기체와 수증기를 사용하여 표면을 산화시킵니다.
건식 산화 방법보다 산화막 성장 속도가 월등히 빠르지만, 산화막의 밀도가 건식 산화 방법에 비해 낮다고 합니다.
3. 포토 공정
빛을 이용하여 우리가 원하는 회로를 웨이퍼 위에 새길 수 있어요.
(핵심 준비물 : 빛, 감광액, 포토마스크)
포토 공정 = 포토리소그래피 (Photo-lithography) 과정은?
1) 웨이퍼 위에 감광액 (photoresist, PR)을 골고루 도포 (스핀코팅)
2) 소프트 베이킹 : PR 내 용매 제거 및 웨이퍼와 접착력 강화
3) 원하는 패턴이 그려진 포토 마스크 (photomask) 를 웨이퍼 위에 올리고 빛을 비춰줌.
여기에서 positive PR과 negative PR에 따라 다른 패턴이 형성됨.
(positive PR은 빛을 받은 부분이 제거되고 negative PR은 빛을 안 받은 부분 (마스크로 가려진 부분)이 제거됨.
4) 디벨로퍼 (developer)로 남아있는 PR 제거.
5) 하드 베이킹 : 솔벤트 제거 및 PR의 결합력 강화.
(더 나아가면, PR로 만들어진 패턴 위에 금속 증착 -> PR 층 제거를 통해 금속 패턴 제작도 가능)
4. 식각 공정
기판에 원하는 부분은 남기고, 원하지 않는 부분은 제거하는 공정입니다.
식각 공정 : 습식 식각과 건식 식각
식각 공정은 크게 1) 습식 식각과 2) 건식 식각 방법으로 나눠집니다.
습식 식각은 웨이퍼를 화학 용액에 담궈서 원치 않는 부분을 제거하는 방법이고, 건식 식각은 웨이퍼를 화학 기체와 반응시켜 원치 않는 부분을 제거하는 방법입니다.
습식 식각은 비교적 저렴하고 식각 속도가 빠르지만 미세 패턴 식각이 불가한 단점이 있습니다.
건식 식각은 미세 패턴 내 식각이 매우 우수하지만, 식각 속도가 느리고 공정 비용이 비쌉니다.
이후 포스팅에서 식각 공정 중 건식 공정인 원자층 식각이 대해 자세히 다룰 예정.
5. 증착 및 이온주입 공정
증착 : 웨이퍼 위에 아주 얇은 박막을 입히는 것을 말합니다.
증착 과정을 통해 웨이퍼 위에 원하는 물질을 한 층씩 입힐 수 있습니다.
증착 공정은 크게 물리적 증착법인 PVD, 화학 기상 증착법인 CVD, 원자층 증착법인 ALD가 있습니다.
이 중에서 ALD는 저번 포스팅에서 살짝 다뤘네요.
이온 주입 : 이온주입 (ion implantation) 공정은 반도체에 전류가 흐르도록 도와줍니다.
이후 포스팅에서 증착은 더욱 자세히 다룰 예정.
6. 금속배선 공정
반도체칩은 전기적 신호를 통해 동작이 제어되어야 합니다.
금속배선 공정은 반도체칩에 전기가 통하도록 회로에 금속 배선을 연결하는 공정입니다.
7. EDS 공정
EDS = Electrical Die Sorting
웨이퍼 위의 die 마다 전기적 특성 검사를 통해 각 die들의 품질 확인하는 공정입니다.
8. 패키징 공정
완성된 반도체 칩이 1) 전자기기에 연결할 수 있도록, 2) 외부 환경(온도, 불순물, 충격 등)으로부터 보호를 위해 포장하는 단계입니다.
스마트폰 속 기판이나, 컴퓨커 내부의 반도체칩들은 모두 위의 공정 단계를 거치고, 최종적으로 패키징 공정까지 끝낸 완성품입니다.
참조
1) 알기 쉬운 반도체 (이충훈 저)
2) 삼성반도체이야기
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