산업분석-반도체-반도체공정
반도체 공정 : 설계 - 전공정 - 후공정
* '한권으로 끝내는 전공면접, 반도체 입문편'의 일부 내용을 발췌, 정리한 글
■ 반도체 공정
1. 반도체 설계
(1) 회로 설계 : 전자 신호를 통해 원하는 동작을 하려면 회로를 구성해야 함
- 아날로그 회로 : 전자신호를 수치 그대로 해석
- 디지털 회로 : 신호를 특정 단계로 나누어 구분. 보통 반도체에서 사용하는 디지털 신호는 '0'과 '1'로 구분
- 두 회로는 입출력 형태는 다르지만, 동일한 반도체 소자를 기반으로 함
(2) 마스크 설계 : 회로 설계 후 이를 구현하기 위해 특정한 형태로 회로를 바꿔줘야 함. 공정에서 요구하는 설계 규칙(Design rule)에 맞게 반도체 소자와 배선을 배치한 것을 레이아웃(Layout)이라 하고, 레이아웃을 만드는 작업을 마스크 설계라 함.
- 설게 업체에서 마스크 업체에 전달할 때 회로가 아닌 레이아웃을 전달. 마스크 업체는 자신들의 규칙을 위반한 것이 없는지 최종 검수 후 마스크 제작
2. 반도체 전공정
(1) 준비 과정
① 웨이퍼 제조 : 실리콘(Silicon, Si)를 정제해 큰 기둥 형태의 잉곳(Ingot)을 만든 후, 평평하게 잘라 판 형태의 웨이퍼(Wafer)를 제조. 웨이퍼는 연마하여 표면의 울퉁불퉁한 부분을 없애 공정에 투입. 잉곳 상태에서 실리콘 결정 방향을 표시하기 위해 노치(Notch)나 플랫(Flat) 형태로 표시를 해 완성
② 포토마스크 제작 : 설계 과정에서 제작한 마스크 레이아웃을 준비. 고순도 유리인 석영(Quartz)에 크롬을 입힌 것을 블랭크 마스크(Blank mask)라 하고, 블랭크 마스크의 전면에 입힌 크롭을 부분적으로 걷어내어 원하는 형태를 석영 위에 남김. 포토마스크를 제작하는 방식은 포토공정 및 식각공정과 유사.
- 블랭크 마스크 위에 전자 빔(Electron beam, E-beam)에 반응하는 유기막을 코팅 후, 레이아웃에 맞게 전자 빔을 정밀하게 조준하여 유기막에 쏘아줌. 전자 빔을 맞은 유기막은 화학반응을 일으켜 특수용액에 용해되어 제거됨. 이때 드러난 크롬을 크롬 제거액으로 들어내고, 위에 남은 유기막도 용액으로 녹여 없애면 원하는 포토마스크를 얻을 수 있음.
(2) 박막 공정
- 웨이퍼는 오직 실리콘만 있는 상태. 웨이퍼 위에 원하는 유전체나 금속의 얇은 막을 올리는 과정
① 산화 공정(Oxidation) : 실리콘의 산화를 통해 박막을 형성하는 방법. 실리콘은 고온 상태에서 산소나 수증기와 반응시키면 실리콘 옥사이드(SiO2)가 형성
- 건식 산화 : 산소 Si + O2 -> SiO2
- 습식 산화 : 수증기 Si + 2H2O -> SiO2 + 2H2
- 용광로처럼 고온을 유지하여 가열하는 설비 : Furnance
- 실리콘의 일부가 실리콘 옥사이드로 치환됨. 실로콘 0.45nm가 실리콘 옥사이드가 10nm로 바뀜
② PVD / CVD
- 산화공정처럼 치환하는 방식이 아닌 실제 웨이퍼 위에 박막을 얹는 방식 두 가지
- PVD(Physical Vapor Deposition, 물리적 기상 증착)
* 스퍼터링(Sputtering) : 진공 상태에서 플라즈마를 형성하여 그 안의 이온을 가속시켜 타겟 물질에 부딪히는 방식
* 증발법(Evaporation) : Evaporator라는 증발 설비 챔버에 고온을 직접 가하거나, 전자빔을 표면에 쏴 표면만 가열해 입자를 증발시켜 날리는 방식. 증발법은 타겟물질의 낭비가 심해 업계에서는 스퍼터링을 주사용
- CVD(Chemical Vapor Deposition, 화학적 기상 증착)
③ CVD : 챔버(Chamber) 안에 반응할 가스를 넣고 그 가스에 에너지를 인가하여 가스들이 화학반응하도록 하는 방식. 반응 전의 가스 상태를 프리커서(Pre-cursor)라고 하고, CVD는 프리커서들의 반응을 통해 박막을 형성하는 것
- LPCVD(Low Pressure CVD) : 저압에서 증착하는 방식
- PECVD(Plasma Enhanced CVD)
(3) 포토 공정(Photolithography)
- 반도체 공정에서는 일반적으로 증착 공정 후 후속 공정을 통해 증착을 원하지 않는 부분을 제거하는 방식으로 진행. 박막을 남길 부분과 남기지 않을 부분을 정의하는 등 일정한 패턴을 형성하는 과정
① PR Coating : 웨이퍼 혹은 박막 위에 원하는 패턴을 형성하기 위해 감광제인 Photoresist(PR)을 덮는 과정. 웨이퍼 위에 액상의 PR을 도포한 후 빠르게 회전하여 균일한 두께의 얇은 PR 막을 코팅
- 웨이퍼를 회전시킬 때 원심력에 의해 튕기지 않도록 바닥면을 진공으로 잡아주고 빠르게 회전시키는 설비 : Spin coater
- 이때 사용하는 PR 중 빛을 받은 부분이 녹아 나오면 Positive type, 반대로 빛을 받은 부분이 단단해져 다른 부분만 녹으면 Negative type이라 함
② 노광(Exposure) : 도포된 PR에 빛은 입사하여 화학반응을 일으키는 과정. 원하는 부분만 빛을 맞게 하기 위해서 포토마스크 필요. 반도체 양산에서는 4:1 혹은 5:1의 축소 노광 설비를 많이 이용. Stepper와 Scanner가 있음
③ 현상(Development) : 빛에 노출된 PR은 화학반응을 일으켜 특수 용액에 선택적으로 녹아 제거되는 과정
- 미세 공정 구현을 위해 현재는 각 웨이퍼마다 회전과 동시에 용액을 극미량까지 조절하여 분무하는 방식 채택. 현재 PR Coating부터 현상까지 모든 과정이 PR Track, Track System 또는 Spinner라고 불리는 하나의 설비 안에 나란히 존재해 웨이퍼가 중간에 외부로 노출되지 않고 한번에 진행가능
(4) 식각 공정
- 증착한 박막의 일부분 혹은 전부를 깎아내듯 제거하는 공정
① 습식 식각(Wet etch) : 식각 용액과 박막이 화학적으로 반응하여 박막을 제거하고, 화합물은 용액에 녹아 빠져나가는 방식
- 미세 공정 조절이 어려워 현재는 제한적으로 분무 형태로 사용
② 건식 식각(Dry etch) : 가스를 플라즈마로 만들어 이용
- 두 가지 방식을 보통 섞어서 사용함
(5) 불순물 주입 공정(Doping)
- 증착-포토-식각 공정으로 웬만한 물리적 형태는 거의 다 만들 수 있으나, 반도체에 불순물(Dopant)을 넣어 일부분을 N형 또는 P형 반도체로 만드는 과정을 불순물 주입 공정이라 함. 불순물 주입 공정은 증착과 식각 공정이 없이 포토 공정만 진행하는 경우도 있고, 필요에 따라 다른 공정과 조합을 이루기도 함
① 확산 공정
② 이온 주입 공정
(6) 세정 공정
- 별도 공정으로 취급하지 않는 경우도 있음. 오염물질을 씻어내는 것
- 대체로 습식 공정 이용. 가장 쉬운 방법은 세척 용액 탱크 및 물탱크에 웨이퍼를 담가 세정하는 방식
- 그 외 빠른 주파수로 진동하는 울트라소직이나 메가소닉을 적용하는 방식
- 가장 널리 알려진 세정공정은 RCA Cleaning : 박막 위 유기물, 금속, 산화막, 이온 등을 제거하기 위해 다양한 산/염기성 용액을 조합
(7) 금속 배선 공정
- 소자와 소자, 배선과 배선을 잇는 공정
- 기존에는 알루미늄을 배선에 사용해 다른 박막 공정과 동일하게 증착->포토->식각 공정으로 진행했으나 현재는 구리를 주로 사용하면서 다른 방식의 공정이 필요하게 됨
① CMP(Chemical Mechanical Polishing) : 건식 식각이 어려운 구리의 패턴을 형성하는 데 사용하기 시작
- 별도의 CMP 설비를 통해 공정 진행
② 도금
3. 반도체 후공정
(1) EDS(Electrical Die Sorting)
① 전기적 검사
② 신뢰성 테스트
③ 수선 : 전공정을 거쳐 불량품으로 판단된 칩을 수선
④ 웨이퍼 그라인딩 : 웨이퍼 후면을 갈아냄. 패키징을 준비하고 실리콘 두께를 줄여 발열 문제를 해결하고자 하는 목적. 반도체 두께가 얇아지는 추세에 매우 중요한 공정
⑤ 잉킹 : 양품과 불량품을 구분하여 별도로 마킹하는 과정
(2) 패키징(조립)
① 조립
② 최종 검사 : 패키징 과정에서도 불량 발생 가능하므로 패키징 후 Test 필수. ET Test, Burn-in Test, 상온/저온/고온 등 다양한 온내에서 스펙 확인하여 최종 양품 선별
