반도체는 어떻게 만들어질까? 반도체 8대 공정

반도체는 아주 복잡하고 정교한 공정을 통해서 만들어집니다. 그만큼 반도체의 공정은 아주 길기로 유명한데, 크게 잡아서 8개의 공정으로 이루어집니다. 반도체 8대 공정이라고 불리기도 하는데, 반도체 공정에 대해서 살펴보면서 어떻게 만들어지는지 이야기해보도록 하겠습니다.

 

반도체 8대공정 개요

 

반도체의 8대 공정은 아래 그림과 같습니다. 하나의 반도체가 만들어지기까지 최소 8단계를 거쳐야 하는데, 1단계부터 3단계까지를 전공정, 4단계 ~ 8단계를 후공정이라고도 부릅니다.

 

1. 웨이퍼 제조

 

반도체는 뭘로 만들까요? 실리콘으로 만듭니다. 실리콘은 지구에 흔하디 흔한 물질인 모래에서 추출할 수 있습니다. 규소를 뭉쳐서 만드는데 아주 높은 순도로 만드는 것이 핵심입니다. 99.9999999999999999% 높은 순도의 실리콘을 만들어야 합니다. 특히 요즘은 반도체가 더 정밀해지고 작아지면서 이 순도에 대한 기준도 더 까다롭고 엄격해지고 있습니다. 이 실리콘 덩어리를 회전시켜서 둥근기둥 형태로 만든 것을 실리콘 잉곳이라고 합니다.

실리콘 잉곳을 얇게 슬라이스한 것을 웨이퍼라고 합니다. 이 웨이퍼를 조각조각 잘라서 반도체 다이(DIE)를 만들게 됩니다. 실리콘 잉곳의 지름이 클수록, 또 얇게 자를수록 더 많은 반도체를 만들 수 있어서 웨이퍼의 지름도 커지고 절단도 얇게 하고 있습니다.

이 웨이퍼의 표면은 그냥 바로 잘랐으면 거칠고 울퉁불퉁한데, 이것을 매끄럽게 만들어줘야 합니다. 연마액과 같은 화학적 가공을 통해 녹이고 물리적 가공으로 깎아서 표면을 매끄럽게 만들어줍니다. 이러한 웨이퍼만 제조를 전문으로 하는 회사가 있고 대표적으로는 우리나라의 SK실트론, 일본 섬코, 대만 글로벌 웨이퍼스가 있습니다.

 

2. 산화공정

 

[caption id="attachment_1757" align="aligncenter" width="800"] 산화공정[/caption]

 

반도체의 표면을 보호하기 위해서 이산화 규소막을 만드는 공정을 산화공정이라고 합니다. 웨이퍼 기판 위에 산화제인 물과 산소 열을 가하면 이산화 규소 막이 씌워지게 됩니다. 산화공정이 중요한 이유는 회로 사이에 전류나, 이온주입의 확산, 시각 방지막 역할을 합니다.

산화공정은 크게 습식산화와 건식 산화 둘로 나뉩니다. 습식 산화는 수증기와 산소를 사용하여 만드는데 빠르고 두꺼운 막을 형성시킬 수 있습니다. 산화막의 밀도는 비교적 낮은 편입니다. 건식 산화는 수증기 없이 산소만을 이용하여 만들어서 만드는데 조금 느리고 산화막의 두꼐가 얇습니다. 하지만 습식 산화에 비해서 더욱 질 높은 산화막을 만들 수 있습니다.

산화막의 두께가 두꺼우면 반도체 사이즈가 커지고 부피가 커지게 됩니다. 점점 더 적은 부피의 미세공정이 중요해짐에 따라 건식산화와 가스의 압력 온도 시간 등을 미세하게 조정하고 있습니다.

 

3. 포토공정

 

[caption id="attachment_1758" align="aligncenter" width="800"] 포토공정[/caption]

 

산화막이 형성된 웨이퍼 위에 설계회로를 찍어내는 공정이 포토공정입니다. 웨이퍼에 감광성 고분자물질을 얇게 바른 이후에 마스크를 올려놓고 빛을 조사하면, 마스크의 작은 구멍들 사이로 빛이 조사되고 해당 부분에 패턴들이 그려집니다.

쉽게 설명했지만 사실은 상당히 어려운 공정입니다. 노광장비들은 대당 가격이 비싼 것은 수천억원에 달하며, 이 노광장비를 만드는 회사의 대표주자가 바로 ASML입니다. 세밀한 패턴을 그리기 위해서는 파장이 짧은 빛을 쏘아주어야 하고, 충분한 강도의 빛으로 선명하게 새기기 위해서 빛을 모아주는 기술도 필요합니다.

 

4. 식각공정

 



 

앞서 부식방지를 위해서 산화 시켰던 이산화규소 막을 제거해주는 작업을 해야 합니다. 회로 패턴 중에 필요한 부분만 남깁니다. 액체나 기체를 통해 화학적으로 식각을 하여 정교하고 세밀하게 그린 회로를 드러내기 위해서 합니다.

이 또한 산화 때와 마찬가지로 건식과 습식으로 나뉩니다. 습식은 액상 화학 용품으로 하며 상대적으로 가격이 저렴하고 균일도가 높다는 장점이 있어서 가장 많이 사용됩니다. 건식 식각은 기체 가스를 이용합니다. 가격도 비싸고 난이도도 높지만 아주 미세한 회로의 식각이 가능하여 나노 공정 반도체에 적합합니다.

 

5. 증착 이온주입공정

 



 

순수 100% 실리콘 반도체에 이온화된 불순물을 주입시켜서 반도체의 전기적인 성질을 조절해줍니다. 어떤 불순물이 얼마나 섞이느냐에 따라서, 전기적인 성질이 달라지게 됩니다. 관련내용은 아래를 참조하시기 바랍니다. 반도체의 특별한 성질이 이때 만들어집니다. 얼마나 균일하게 불순물의 농도를 넣어주냐, 또 얼마나 깊이 넣어주느냐와 같은 기술적인 난이도가 여기서도 높습니다.

이후에는 박막을 입혀야 합니다. 웨이퍼보다 훨씬 얇은 막을 씌우는데, 이 박막이 증착되면서 부도체였던 실리콘 웨이퍼가 전기적인 특징을 갖게 됩니다. 균일하게 증착시키는 정교한 기술이 필요합니다. 아르곤 가스를 이용해 전압을 걸어주어서 물리적으로 증착할 수 있고, 가스의 화학반응으로 형성된 입자를 수증기 형태로 쏘아서 증착 시키기는 화학적 증착도 있습니다.

 

6. 금속배선공정

 



 

앞서 만들어놓은 만들어진 회로에 전기길을 내는 과정이 금속배선 공정입니다. 이 금속들은 웨이퍼에 잘 달라붙으면서도 높은 신뢰도와 안정성을 가지고 전지 저항이 적은 물질로 놓게 됩니다. 가장 많이 쓰이는 금속은 주로 알루미늄, 구리, 티타늄, 텅스텐입니다.

 

7. EDS공정

 



 

EDS는 Electrical Die Sorting의 약자입니다. 테스트를 해보면서 이 제품이 불량이 있는지 아닌지를 테스트 해보고 분류해보는 것입니다. 일정 수준 이상의 품질 수준에 도달하지 못한 제품들은 수선하거나 불량 제외가 됩니다.

개별 소자에 전기를 주어서 전기적으로 테스트를 하며 동작여부룰 살피고, 전기적 신호가 뜨겁거나 차가운 온도에서도 정상 작동하는지 판별합니다. 수선 가능한 칩들을 수선하고 마지막 테스트로 불량을 최종 판단합니다. 불량칩들은 따로 식별표시를 해둡니다.

 

8. 패키징 공정

 



 

드디어 웨이퍼 잘라냅니다. 웨이퍼를 레이저나 톱으로 하나하나 낱개로 잘라진 조각을 베어칩 혹은 다이라고 부릅니다. 이 칩을 다른 전자기기나 기판에 장착되기 위해서 보호를 위한 패키징을 진행합니다. 미리 만들어놓은 프레임에 칩을 접착한 이후에, 와이어나 볼 형태의 범프로 연결하기도 합니다.

 

결론

 

반도체 8대 공정에 대해서 살펴봤습니다. 반도체는 이렇게 긴 공정으로 이루어지기 때문에 쉽게 누구나 진입하기 어려운 분야입니다. 그래서 많은 반도체 회사가 해당 공정 중 한 두개만을 전문적으로 담당하는 식으로 분업화 되어 있습니다.  살펴본 모든 공정을 처음부터 끝까지 다 하는 회사를 종합 반도체 회사라고 부르며 국내에는 삼성전자와 SK하이닉스, 해외에는 인텔,  마이크론 등이 있습니다.