#3 반도체 제조 - 전공정 편

#3 반도체 제조 - 전공정 편

여러분들은 '반도체를 만든다’라고 했을때의 이미지가 딱 떠오르시나요?

반도체를 만드는 것은 '쌓고 깎고 쌓기의 반복’이라고 생각하시면 좋을것 같습니다.

대표적인 메모리 반도체 DRAM의 수직 단면도를 살펴봅시다.

<독일 위키피디아에서 가져오느라 용어가 생소해 보이네요..!>

이러한 구조물을 만든다고 할때 가장 단순한 생각은 필요한 모양대로 만들어 놓고 하나씩 쌓아올리는 것입니다.

그런데 반도체가 작다보니, 이렇게 필요한 모양대로 조각을 만들고 / 옮겨서 / 올리는 일이 불가능한 것이죠..

그래서 쌓고 ->  필요없는 부분을 깎은뒤 -> 올리고자 하는 물질을 쌓고 -> 다시 필요없는 부분을 깎는 과정을 반복하여 위의 그림과 같은 작은 구조물을 만들어내고 있습니다.

그런데, 그렇게 작은 부품안에서 필요없는 부분만 선별하고 깎아내는 것도 쉬운일이 아니겠죠?

앞으로는 어떻게 변화할지 모르겠으나, 지금까지는 빛을 이용하여 필요없는 부분, 혹은 필요한 부분을 선별하고 나머지는 녹여서 없애버리는 과정으로 제작하고 있습니다.

더 자세히 들여다보기 이전에 전체적으로 반도체가 만들어지는 흐름을 살펴보도록 합시다.

<반도체 제조 과정>

여기서, 전공정과 후공정은 웨이퍼 상에 회로를 새겨 칩을 완성하기 전과 후로 나눈것 이며, 다시 전공정을 FEOL(Front End of Line)과 BEOL(Back End of Line)로 나눠서 부르기도 합니다.

FEOL은 산화나 확산 및 이온 주입을 통해 실리콘 기판을 가공하여 Active Layer를 만드는 공정이며, BEOL은 Active Layer 위에 배선하는 공정입니다.

약어 그 자체의 의미로만 생각해보면 라인에서 이뤄지는 공정의 첫단과 뒷단으로 생각할 수 있겠네요.. 

 

추가로, 좀 더 많이 알려진 제조 공정은 8대 공정으로 불리며 아래의 그림과 같이 8개의 Step으로 구분되어 있습니다.

<8대 공정>

하지만, 8개의 과정을 순서대로 완료한다고해서 반도체 하나가 뚝딱 만들어지는 것은 아니니 헷갈리지 마세요!

< 웨이퍼 제조 >

이전 글에서 반도체를 집과 아파트에 비유했었는데, 아파트를 지을때 가장 먼저 ‘땅’이 필요하듯 반도체 제작에서는 ‘웨이퍼’라고 하는 기판이 가장 먼저 필요합니다.

웨이퍼는 Si로 만들어지며, 단결정의 Seed를 Si 용액에 접촉시킵니다. 이때 Seed를 회전시키면서 단결정 Seed가 기둥 모양으로 성장하게 되고 이를 ‘규소봉(Ingot)'이라고 부릅니다.

<초크랄스키법(CZ법)에 의해 Ingot으로 성장하는 Seed>

만들어진 Ingot을 균일하게 자른것을 ‘웨이퍼’라고 부르기 때문에 웨이퍼의 크기는 Ingot의 구경에 따라 다릅니다.

하나의 웨이퍼 안에서 다수의 반도체 칩이 균일하게 제작되기 때문에 웨이퍼의 크기가 크면, 그만큼 같은 시간에 만들수 있는 반도체의 수가 증가하는 것입니다.

그러나 웨이퍼의 크기가 커지는 만큼의 기술력이 뒷받침 되어야 생산성이 향상될 수 있습니다.

< 회로 설계 / 패턴 설계 / 마스크 제작>

아파트를 지을때의 도면과 같은 것입니다.

반도체 제조는 빛을 이용해 필요한 부분과 필요없는 부분을 선별하면서 쌓아올리는 것이기 때문에, 층별로 이러한 선별을 위해 Mask를 제작해야 합니다.

Mask의 제작은 만들고자 하는 반도체의 종류에 맞게 회로를 설계하고, 이 회로를 웨이퍼 상에 구조적으로 그려낼 Mask의 패턴을 설계하여 제작하게 됩니다.

이렇게 만들어진 Mask에 빛을 비춰서 실리콘 기판위의 표면이 가려지는 부분과 비춰지는 부분을 필요한 부분과 필요없는 부분으로 나누는 것이죠.

< 웨이퍼 프로세스 >

웨이퍼 표면에 여러 종류의 막을 쌓고 깎는 작업을 수십 수백번 반복하면서 전자회로를 구성하여 하나의 반도체 칩이 만들어지는 단계입니다.

반도체 제조 공정의 꽃이라고 불리며, 포토 공정 / 식각 공정 / 박막 증착 공정 / 금속 배선 공정 등이 모두 이 단계에 해당합니다.

<1> FEOL (기판 공정)

기판이나 기판의 표면 근처에 형성되는 층을 Active layer(활성층) 라고 하는데, 활성층은 만들고자하는 반도체의 주요기능을 담당하는 층으로 생각할 수 있습니다.

디바이스마다 다르겠지만, 기판 공정에서는 주로 Epitaxial layer 형성 / Isolation / N-Well & P-Well 형성 / Gate Oxide / Gate Electrode / Spacer / Source - Drain 형성 / 층간 절연막 형성 / 평탄화 / Contact Hole 형성 / Contact Plug 형성 등이 이뤄집니다.

위 내용이 무엇인지는 차근차근 알아가 보도록하고 이런게 있구나~ 정도로 받아들이시고 넘어가시면 될 듯 합니다..

<2> BEOL (배선 공정)

만들어진 활성층 위에 외부와 전기적인 연결을 하기위한 배선 공정입니다.

특히, 시스템 반도체에서 더욱 중요하게 여겨지며 CMP의 도입으로 많은 발전이 있었습니다.

배선 공정에서는 주로 Contact 형성 / 배선 패턴 형성(Barrier, Metal, ARC 등) / 층간 절연막 형성 / 평탄화 / Via Hole 형성 / Via Plug 형성 / Passivation 등이 이뤄집니다.                           

이후, 웨이퍼 프로세스가 완료되면 EDS(Electrical Die Sorting)라는 Probe Test를 거쳐 불량품을 선별합니다.

즉, 양품으로 분류되어야 조립단계로 넘어올 수 있는것이고 여기서 부터가 후공정의 시작이라 할 수 있습니다.

후공정까지 이글에서 언급하면 너무 길어질 것 같으니, 다음글에서 후공정에 대해 간략히 다뤄보도록 하겠습니다!