반도체 8대 공정 이란?? Semiconductor Fabrication Process

*목차*

1. 웨이퍼 제조 공정(Ingot)

2. 산화 공정(Oxidation)

3. 포토 공정(Photolithography)

4. 식각 공정(Etching)

5. 증착 & 이온주입 공정(Deposition & Ion Implantation)

6. 금속 배선 공정(Metalization)

7. 전기적 특성 검사 공정(EDS, Electrical Die Sorting)

8. 패키징 공정(Packaging)

우리 생활에 사용하는 전자기기에는

반도체 IC(Semiconductor Integrated Circuit, 반도체 집적 회로)가 들어가요.

이제 반도체가 없으면 생활이 불가능한 정도가 아닐까 싶네요...

우리에게 꼭 필요한 반도체 Chip은

다양한 '반도체 제조 공정(Semiconductor Fabrication Process)'을 거쳐서 만들어져요.

** 반도체 집적 회로(반도체 IC) : 각기 다른 역할을 하는 회로가 하나의 Chip로 집적하여 만들어진 전자부품.

반도체 IC를 만들기 위해서는

크게 8가지 종류의 반도체 제조 공정을 통해서 하나의 반도체 디바이스가 완성돼요.

8가지 중요 공정을 묶어서 반도체 8대 공정이라고 불러요.

<전공정>

-. 웨이퍼 제조 공정(Ingot)

-. 산화 공정(Oxidation)

-. 포토 공정(Photolithography)

-. 식각 공정(Etching)

-. 증착 & 이온주입 공정(Deposition & Ion Implantation)

-. 금속 배선 공정(Metalization)

<후공정>

-. 전기적 특성 검사 공정(EDS, Electrical Die Sorting)

-. 패키징 공정(Packaging)

위 8가지 공정 중에서 6가지는 '전공정(Front-end Process)'이라고 하고

나머지 2가지는 '후공정(Back-end Process)'이라고 해요.

이름 그대로 반도체 제조 공정의 앞단 공정과 뒷단 공정이에요.

추가로, 반도체 Wafer 위로 쌓이는 박막층이 많아지고 두꺼워지면서

공정 중간 중간 Wafer 표면의 평탄도가 중요해지고 있는데요.

그래서 '연마 공정(CMP, Chemical Mechanical Polishing)'을

8대 공정으로 넣는 곳도 있는 것 같아요.

아래부터는 각 공정이 어떤 공정인지 간략하게 정리해봤어요

1. 웨이퍼 제조 공정(Ingot)

-. 반도체 디바이스는 얇은 원형판 모양을 한 '웨이퍼(Wafer)' 위에

전기적 신호가 흐를 수 있는 회로 패턴을 형성하면서 만들어져요.

반도체 제조에 꼭 필요한 Wafer를 만들기 위해서는

Wafer를 구성하는 물질를 '잉곳(Ingot)'이라는 '단결정 원기둥'으로 성장 시키고

Ingot을 얇게 잘라서(Slice) 얇은 원판의 Wafer 기판으로 만들어요.

Wafer에 주로 사용하는 물질로 '실리콘(Si, Silicon)'을 사용해요.

Si Wafer를 만드는 방법은 자연 상태의 '모래(SiO2)'를 녹여서 만들어요.

모래를 녹여서 얻은 고순도의 실리콘(Si) 용액을

녹는점 근처에서 서서히 냉각 시키면서 위로 끌어올리면

불순물이 제거되면서 단결절 원기둥의 Si Ingot이 만들어져요.

반도체 제조 공정은 기초가 되는 Wafer의 상태가 중요해요.

만약 Wafer 제조 공정 중에 문제가 발생해서

Wafer가 단결정이 아니고 불순물이 섞여 있다면

해당 부분은 'Defect(결함)'이 돼요.

만약 결함이 있는 영역에 회로가 구성될 경우 정상적인 전기적 특성이 안 나올 거에요....

2. 산화 공정(Oxidation)

-. 산화 공정은 Si Wafer 표면을 산화시켜서 산화막(SiO2) 층을 만드는 공정이에요.

반도체는 '도체'와 '부도체' 성질을 모두 갖고 있는 것으로

즉, 전기가 '통하는 성질'과 '통하지 않는 성질'을 갖고 있다는 말이에요.

여기서 산화막(SiO2)은 보호막, 절연막 역할을 해요.

Wafer 위에 전기 신호가 흐를 수 있도록 금속 배선을 형성하면

배선 사이로 '누설 전류(Leakage Current)'가 발생해요.

산화막은 이런 누설 전류를 막아주는 절연막 역할을 해요.

그리고 '이온 주입 공정(Ion Implantation)'에서

이온을 Si Wafer 표면에 직접적으로 주입해서 충격을 주면

Si 결합이 깨지고 확산이 많이 돼요...

보호막 역할로 산화막 층을 만들고 그 위에서 이온을 주입하면

위와 같은 문제를 막아줘요.

산화막 층을 만드는 방법으로는

O2 gas로만 반응시키는 '건식 산화'

O2 gas + H2O(수증기)로 반응시키는 '습식 산화'가 있어요.

3. 포토 공정(Photo, Photolithography)

-. 포토리소그레피 공정. 줄여서 '포토' 공정은

도화지 위에 스케치를 하는 것처럼

Wafer 위에 회로 패턴을 그리는 공정이에요.

Wafer 위에 빛에 반응하여 화학적으로 변하는 '감광액(PR, Photo Resist)'을 고르게 도포하고

회로 패턴이 그려져 있는 '포토 마스크(Photo Mask, Reticle)'를

Wafer 위에 위치한 상태에서

Mask 너머로 특정 파장의 빛에 노출 시켜요.(노광, Stepper Exposure)

노광까지 끝난 Wafer에 '현상액(Developer)'을 뿌려가면서 '현상(Develop)'을 하면

포토마스크에 그려져 있던 회로 패턴이 Wafer 위에 그려져요.

PR 종류에 따라서 빛에 노출되었을 때

Developer에 제거가 잘 되거나 안되기도 해요.

포토 공정으로 Wafer 위에 회로 패턴을 그리고

'증착', '식각', '이온주입', '금속 배선' 공정을 반복하면

Wafer 위에 전기 신호가 흐르는 회로가 형성돼요.

4. 식각 공정(Etching)

-. 식각 공정은 막질(Film)을 화학적 or 물리적 반응으로 제거해서(깎아내서)

패턴을 만드는 공정이에요.

보통 먼저 Photo 공정을 통해서 PR로 Wafer 위에 패턴을 만들고

그 위에서 Etching을 하는데

PR로 막혀있는 영역은 식각 반응에서 보호되고

Open 되어 있는 영역은 식각이 돼요.

Etching이 완료되면 PR을 제거(Strip)해요.

Etch 공정은 액체 또는 기체의 '식각제(Etchant)'를 사용해요.

Etchant 종류에 따라 'Wet Etching'과 'Dry Etching'으로 종류를 나눌 수 있어요.

액체를 Etchant로 사용하는 방법을 'Wet Etching'이라고 해요.

이 방법은 Etchant와 Film의 '화학적 반응'으로 식각을 해요.(Chemical Etch)

기체를 Etchant로 사용하는 방법을 'Dry Etching'이라고 하는데

Gas를 'Plasma' 상태로 만들어 사용하는 방식이에요.

Dry Etching도 Chemical Reaction으로 식각을 하지만

필요에 따라서 Plasma Ion 입자의 충돌을 이용한 '물리적 반응(Physical Reaction)'으로 식각을 해요. (Physical Etch)

5. 증착 & 이온 주입 공정(Deposition & Ion Implantation)

-. 증착 공정(Deposition)은 Wafer 위에 박막(얇은 막, Thin Film)을 입히는 공정이에요.

'박막'의 사전적 정의는 '1마이크로미터(㎛) 이하의 얇은 막'을 말해요.

증착은 원자, 분자 단위로 박막을 입히는 과정이에요.

증착에는 크게 2가지 방법이 있어요.

-. 물리적 기상증착방법(PVD, Physical Vapor Deposition)

-. 화학적 기상증착방법(CVD, Chemical Vapor Deposition)

세부적으로 다양한 방식으로 나눌 수 있어요.

박막 종류로는 금속막, 절연막, 보호막을 증착할 수 있어요.

이온 주입 공정(Ion Implantation)은 

전류가 잘 흐르지 않는 '단결정 Si Wafer'에

불순물 이온(Ion)을 넣어서 전류가 흐르도록 전도성을 갖게 하는 공정이에요.

주입하는 불순물의 종류에 따라서 반도체 타입(Type)이 달라져요

15족 원소 인(P), 비소(As) 등을 주입하면 n-Type 반도체가 되고

13족 원소 붕소(B) 등을 주입하면 p-Type 반도체가 돼요.

Si Wafer 위에 불순물을 적절하게 주입해서 '트렌지스터(Transistor)' 회로를 구성해요.

6. 금속 배선 공정(Metalization)

-. 이온 주입 공정으로 전도성을 갖게 된 Wafer는

필요에 따라 전류가 흐르게 하고 흐르지 않게 할 수 있어요.

'트렌지스터(Transistro)'와 같은 회로가 동작 하기 위해서는

외부에서 전기적 신호를 가해줘야 되는데

이를 위해서 전기적 신호가 통하는 통로(전기길, 금속선)를 만든는 공정을

금속 배선 공정이라고 해요.

7. 전기적 특성 검사 공정(EDS, Electrical Die Sorting)

-. EDS는 공정을 마치고 회로가 형성된 개별 소자(Die Chip)의 전기적 특성이

원하는 수준으로 나오는지 검사하는 공정이에요.

EDS는 보통 전공정이 완료된 Wafer 상태에서 확인하거나

Packaging 공정에서 확인해요.

검사를 통해서 만들어진 반도체 Chip의 양품/불량품을 선별하고

공정 수율(Yield)를 계산해요.

공정 또는 설계의 문제점을 발견하고 '수율(Yield)'을 향상 시키기 위해서 꼭 필요한 공정이에요.

8. 패키징 공정(Packaging)

-. Packaging 공정은 전공정을 마치고 만들어진 Chip을

다른 Chip 또는 외부 회로와 전기적으로 연결하고, 외부 환경으로부터 Chip을 보호하는 공정이에요.

대략적인 순서는 

전공정이 완료된 Wafer를 개별 소자(Die Chip)로 잘라서(Dicing)

Flip Chip Bonding이나 Wire Bonding으로 외부 회로와 연결하고

Underfill 또는 몰딩(Molding)을 해서 Chip을 보호해요.

**공부하면서 정리해 봤는데 오류가 있으면 댓글로 알려주세요.