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반도체 공정
반도체 공정은 설계 도면에 따라 웨이퍼 위에 반도체 소자를 실제로 구현하고 제품으로 만들어내는 공정을 말한다. 크게 Wafer 제조, 프론트엔드 와 백엔드 공정으로 나누어진다.
- 웨이퍼 제조
- 반도체 소자를 형성하기 위한 기판이 되는 실리콘 웨이퍼를 제조하는 공정이다.
- 전공정 (Front-end Process)
- 실리콘 웨이퍼 위에 반도체 소자를 형성하는 전체 공정을 의미한다. 일반적으로 '반도체 공정' 이라고 하면 떠올리는 부분은 주로 여기에 해당한다. 전정은 다시 FEOL 과 BEOL 로 나누어진다.
- Front-end of Line (FEOL) : IC 칩 내에서 기능하는 핵심적인 소자 부분(주로 각종 트랜지스터)을 형성하는 공정이다.
- Back-end of Line (BEOL) : FEOL 에서 만들어진 소자들 사이, 그리고 외부 접점과 금속 배선(Interconnect)을 형성하는 공정이다.
- 후공정 (Back-end Process)
- 프론트엔드 공정에서 완성된 반도체 소자를 테스트하고 패키징 하는 공정이다.
반도체 공정이라고 하면 주로 전공정만을 의미하는 경우가 많다. 그 중에서도 특히 핵심적인 기능을 담당하는 트랜지스터 제조 공정인 FEOL 공정. 다만 칩 내에서 차지하는 부피로 따지면 FEOL 로 형성된 소자 부분은 가장 작고, BEOL 에서 형성된 금속 배선이 차지하는 부피가 굉장히 크다. 전체 칩 단면은 일부러 찾아보지 않는 이상 은근히 보기 어려운데, 위키피디아의 Integrated circuit 항목에서 대략적인 Scheme 과 각 부분이 형성되는 공정 단계를 볼 수 있다.
설계는 하지 않고 공정만 전문으로 하는 회사는 파운드리(Foundry), 반대로 설계만 하는 회사는 팹리스(Fabless), 둘 다 하는 업체는 종합반도체사(IDM) 라고 한다.
목차
레시피
각 foundry는 각 공정을 조합한 공정 레시피(process recipe)를 보유하고 있다. 예시로는 산화막(oxide) etching -> MASK 1 patterning -> 산화막(oxide) 생성 -> cleaning (DI water) 등의 과정이 반복되는 구조다. 이 레시피의 퀄리티가 해당 회사의 공정 퀄리티를 좌지우지하게 된다.
공정 선폭
Technology Node
어떤 반도체 공정의 기술 수준을 구분하는 용어로, 대략 구현 가능한 최소 선폭을 의미한다고 보면 된다. 즉, 5nm 공정이란 최소 선폭이 5nm 인 공정을 의미한다. 평면 소자를 사용하던 옛날에는 명확한 구분이 가능한 용어였으나, FinFET 등 3D 소자와 Spacer Patterning 등의 기술이 도입된 현재는 명칭의 기준이 모호해졌다.
8대 공정
삼성전자에서 제시한 반도체 공정의 구분 방법으로, 쉽게 8가지로 분류했기에 8대 공정이라고 부른다.
다만 현대의 반도체 공정이 극도로 고도화 되면서 이 8대 공정의 분류법은 부적절해진 면이 있다. 실무에선, 예를 들어 삼성전자의 경우, 이 문서의 8대 공정 중 웨이퍼 제조, EDS, 패키징을 제외한 나머지 5개 공정 기술을 Photo, Etch, Clean, CMP, Diffusion, Implant, Metal, CVD 의 8가지로 나눈다. SK하이닉스에서는 동일한 내용을 8대 공정이 아닌 전공정/후공정으로 구분하니 유의하자.
옛날에는 사람이 직접 해야 하는 육체 노동 비율이 상당히 높았으나, 미세한 먼지입자에도 불량이 발생하는 반도체 공정 특성상 자동화에 많은 투자가 이루어져, 메이저 업체들 기준으로는 공정 중에 사람의 손을 거의 타지 않는다. 다만, 설비를 유지보수하는 일은 여전히 상당한 육체 노동이 필요하다.
웨이퍼 공정
웨이퍼는 반도체 칩의 기반이 되는 기본 물질로, 주로 '실리콘'을 기반으로 한다. 이 공정에서는 먼저 큰 실리콘 결정체를 고온의 톱으로 미세한 두께로 절단한다. 이렇게 절단된 실리콘 웨이퍼는 다양한 물리적, 화학적 처리 과정을 거쳐 표면을 정밀하게 다듬고, 불순물을 제거한다.
웨이퍼 공정의 끝에 가서는 각 웨이퍼가 특정 기준에 부합하는지 다양한 측정 및 검사가 이루어진다. 이에 포함되는 것은 웨이퍼의 두께, 지름, 불순물 농도 등 다양한 파라미터이다. 이러한 검사를 통과한 웨이퍼만이 다음 공정으로 넘어갈 수 있으며, 불합격된 웨이퍼는 재활용되거나 폐기된다.
산화 공정
산화공정에서는 웨이퍼 표면에 실리콘 산화막(SiO2)을 형성하는 작업이 이루어진다. 주로 높은 온도와 산소 또는 물과의 반응을 통해 이뤄지며, 이를 '열산화'라고도 부른다. 여기에서 생성되는 실리콘 산화막은 다양한 역할을 하는데, 그 중 가장 중요한 것은 트랜지스터, 다이오드 등의 전자 소자의 '게이트 층' 또는 '절연층'을 형성하는 것이다.
산화막의 두께와 품질은 매우 중요한데, 이는 전자 소자의 전기적 특성에 큰 영향을 미치기 때문이다. 예를 들어, 산화막이 너무 두꺼우면 전기적 특성이 떨어질 수 있고, 너무 얇으면 소자가 쉽게 파괴될 수 있다. 따라서 산화 공정에서는 산화막의 두께를 정밀하게 조절해야 하며, 이를 위해 여러 회차에 걸친 측정과 검사가 이루어진다.
포토공정
포토 공정은 반도체 제조 과정에서 굉장히 중요한 단계로, 여기서는 웨이퍼 위에 미세한 반도체 회로를 그린다. 이 공정은 포토 리소그래피(Photo Lithography)라는 기술을 이용하여 수행된다. 이 기술은 웨이퍼에 빛을 쪼이는 것을 통해 회로를 형성하는 방법이다.
처음에 웨이퍼의 표면에는 미리 코팅된 포토레지스트라고 하는 빛에 민감한 화학 물질이 적층된다. 이후, 미리 제작된 '마스크'라고 불리는 틀을 이용하여 빛을 웨이퍼에 쪼인다. 마스크에는 원하는 회로 패턴이 미리 그려져 있으므로, 빛을 통과시키는 부분과 차단하는 부분이 정확하게 구분된다. 빛이 쪼여진 후, 노출되지 않은 포토레지스트는 웨이퍼에서 제거되고 노출된 부분은 남겨진다. 이렇게 해서 웨이퍼 위에 정확한 회로 패턴이 형성되게 된다.
식각공정
식각공정은 포토 공정에서 그려진 미세한 회로 패턴을 웨이퍼에 영구적으로 입히는 과정이다. 이 단계에서는 불필요한 포토레지스트나 웨이퍼 표면의 물질을 철저히 제거하여, 실제로 전기 신호를 처리할 수 있는 반도체 소자를 만든다.
식각에는 크게 두 가지 방법이 있다: '건식 식각'과 '습식 식각'. 건식 식각은 플라즈마를 사용하여 웨이퍼의 불필요한 부분을 제거하는 방법이다. 습식 식각은 특정 화학액(에칭액)을 사용하여 웨이퍼에 물질을 제거하는 고전적인 방법이다. 어떤 방법을 사용할지는 제품의 용도나 원하는 특성에 따라 결정된다.
증착 & 이온 주입 공정
증착 공정에서는 웨이퍼 위에 얇은 박막을 형성하는 작업이 이루어진다. 이 박막은 회로를 나누거나 보호하고, 전기적으로 연결하는 등 다양한 역할을 한다. 증착에는 여러 방법이 있으며, 대표적으로는 화학기상증착(CVD), 물리기상증착(PVD) 등이 있다. 증착되는 물질과 필름의 특성에 따라 적절한 증착 방법이 선택된다.
이온 주입 공정은 웨이퍼에 특정 이온을 주입하여 원하는 전기적 특성을 부여하는 과정이다. 이 과정은 반도체의 p-형과 n-형 영역을 구분하거나 특정한 전기적 특성을 만들어 내기 위해 필요하다. 여기에서도 고도의 정밀성이 필요하며, 어떤 종류의 이온을 얼마나 주입할 것인가, 그리고 어떤 깊이에 주입할 것인가 등을 정확하게 제어해야 한다.
금속 배선 공정
금속 배선 공정은 반도체 칩 내의 다양한 소자들을 전기적으로 연결해주는 매우 중요한 단계이다. 일반적으로 알루미늄이나 구리 같은 전도성이 좋은 금속을 사용하여 미세한 금속선을 웨이퍼 위에 형성한다.
금속의 선택은 전기적 특성, 비용, 그리고 공정의 복잡성 등 여러 변수에 의해 결정된다. 예를 들어, 알루미늄은 가공이 쉽고 비용이 낮지만, 구리는 전기 전도성이 더 뛰어나다. 따라서 어떤 금속을 사용할지는 설계 목표와 제약 사항에 따라 다르다. 배선을 형성하는 방법도 다양하다. 일반적으로는 화학기상증착(CVD)이나 물리기상증착(PVD), 그리고 후에 이어지는 포토리소그래피와 에칭 과정을 통해 미세한 배선 패턴을 만든다.
EDS 공정
EDS 공정은 개별 반도체 칩의 전기적 특성을 철저히 검사하여 품질을 보증하는 매우 중요한 단계이다. 모든 공정을 거쳐 제작된 반도체 칩이 실제로 명세서나 설계도에 맞는 성능과 품질을보이는지를 확인하기 위해 다양한 테스트가 이루어진다 . 이 공정에서 불량이 확인되면 그 칩은 다음 공정으로 넘어가지 못하고 폐기되거나 재가공된다.
패키징 공정
패키징 공정은 반도체 칩이 완성된 후, 칩을 안전하게 보호하고 외부 장치와의 신호 전달을 가능하게 하는 마지막 단계이다. 패키징은 반도체 칩의 완성 형태를 결정하며, 사용되는 기술과 재료는 제품의 품질, 성능, 그리고 비용에 큰 영향을 미친다.
패키징 공정이 완료된 후에는 다시 한 번의 품질 검사가 이루어진다. 모든 품질 검사를 통과한 제품만이 최종적으로 고객에게 출하된다. 이 과정에서도 로직 테스트, 스트레스 테스트 등 다양한 테스트가 수행될 수 있다.
패키징 공정을 마친 반도체 칩은 이제 완성된 제품으로써, 다양한 전자 장치에 적용되어 우리 생활을 더욱 편리하고 혁신적으로 만들게 된다.
동영상
참고자료
- 〈반도체 공정〉, 《나무위키》
- 〈반도체 8대 공정 한 눈에 보기!〉, 《삼성반도체 백과사전》
- 윌리, 〈반도체 8대공정 :: 전공정 & 후공정 한번에 쉽게 총 정리〉, 《네이버 블로그》, 2023-10-04
같이 보기
