반도체 공정(1)- 8대 공정, 반도체 공정 기초

 

이번 글부터는 반도체 공정에 대해 정리해보도록 하겠습니다. 

각 공정의 세부적인 내용을 다루기에 앞서, 이번 글에서는 8대 공정이 무엇인지 간략하게 정리하고 반도체 기초에 필요한 내용들을 정리해보도록 하겠습니다.

 

먼저 8대 공정에 대해 설명해보겠습니다.

반도체 제조에서 흔히 "8대 공정"이라는 스텝이 존재하는데요,

이는 ① 웨이퍼 제조 공정, ② 산화 공정, ③ 포토 공정, ④ 식각 공정, ⑤ 증착 & 이온 주입 공정, ⑥ 금속 배선 공정, ⑦ EDS 공정 (테스트), ⑧ 패키징 공정 을 뜻합니다. 각 단계에 대해 간략하게 정리해보겠습니다.

 

① 웨이퍼 제조 공정

모래를 뜨거운 열로 녹여 순도 높은 Si 용액을 굳히면 '잉곳'이라는 실리콘 기둥이 됩니다. 이 실리콘 기둥을 얇게 slice하면 웨이퍼가 됩니다. 이렇게 slice된 웨이퍼는 표면을 매끄럽게 갈아내는 단계를 통해 완성됩니다.

 

② 산화 공정

웨이퍼 표면에 산소나 수증기를 뿌려 균일한 산화막을 형성하는 단계입니다. 이 산화막은 공정 중 웨이퍼 표면을 보호하고 회로와 회로 사이 누설 전류를 차단해 주는 역할을 합니다.

 

③ 포토 공정

웨이퍼 위에 반도체 제조를 위해 설계된 회로를 그려내는 과정입니다. 이때 설계된 회로 패턴이 그려진 유리판인 '마스크'가 필요합니다. 마스크의 회로도를 웨이퍼에 새기기 위해서는 웨이퍼 위에 형성된 산화막 위에 빛에 반응하는 물질인 감광액 (PR, Photo Resist)을 얇고 균일하게 도포한 후, 회로 패턴이 담긴 마스크에 빛을 통과시키면 웨이퍼 효면에 회로도가 찍히게 됩니다. 현상액을 뿌려 빛을 받은 영역 혹은 그렇지 않은 영역을 선택적으로 제거하여 웨이퍼에 회로 패턴을 그릴 수 있습니다.

 

④ 식각 공정

웨이퍼 위에 그려진 반도체 회로 패턴 외에 필요없는 부분을 제거하는 단계입니다. 웨이퍼에 액체나 기체의 부식액을 이용해 불필요한 부분을 선택적으로 제거해서 반도체 회로 패턴을 만드는 과정이 식각 공정입니다. 이때 식각을 위해서 액체를 사용하면 습식 식각, 기체나 플라즈마를 사용하면 건식 식각이라고 합니다.

 

⑤ 증착 & 이온 주입 공정 

웨이퍼 위에 층층이 쌓인 회로와 회로를 구분하고, 보호하는 절연막인 박막 (thin film)이 필요합니다. 웨이퍼 위에 원하는 분자 또는 원자 단위의 아주 얇은 박막을 입히는 것을 증착 공정이라고 합니다.

또한 반도체가 전기적인 성질을 갖게 하는 이온 주입 공정도 필요합니다. 전기가 통하지 않는 순수한 Si에 불순물을 주입하여 전도성을 갖게 하는 공정이 바로 이온 주입 공정입니다.

 

⑥ 금속 배선 공정

회로가 동작하기 위해서는 전기적 신호가 필요한데, 이때 신호가 잘 전달되도록 회로 패턴에 따라 전기가 통하는 길을 만드는 과정이 금속 배선 공정입니다. Al, Ti, W과 같은 금속 재료를 통해 얇은 금속 막을 증착하여 전기가 통할 수 있게 하는 공정 단계입니다.

 

⑦ EDS 공정 (테스트)

Electric Die Sorting이라고 하며, 전기적 특성 검사를 통해 품질을 테스트하는 과정을 말합니다. 각각의 칩들이 원하는 품질 수준에 도달했는지 테스트하여 수율을 평가합니다.

 

⑧ 패키징 공정 

EDS 공정을 거쳐 선별된 반도체 칩들이 기기에 탑재되기 적합한 형태로 만들어지는데요, 낱개로 하나하나 잘라내서 전자기기에 탑재될 수 있는 형태를 갖추기 위해 패키징 공정을 진행합니다. 다양한 외부 환경으로부터 보호하고, 신호를 주고 받을 수 있는 길을 만들어 주는 단계입니다.

패키징 단계는 다음과 같은 세부 단계들이 있습니다.

1) 웨이퍼를 낱개 칩으로 자르고 (웨이퍼 소잉/다이싱) 2) 절단된 칩들을 PCB 기판 위에 올립니다. 3) 기판 위에 올려진 반도체 칩의 접점과 기판의 접점을 연결해주고 (BAG 방식/ 와이어 본딩) 4) 원하는 형태의 패키지 모양을 만들기 위해 성형(molding) 과정을 거칩니다. 이후 5) 반도체를 밀봉한 후 제품명을 마킹하고 6) 파이널 테스트를 거칩니다.

 

이렇게 크게 8가지 단계를 거쳐 반도체 칩이 만들어집니다. 이중 일반적으로 웨이퍼를 가공하고 공정하는 단계인 ①~⑥ 공정은 전공정, 나머지 테스트, 패키징 공정은 후공정으로 분류됩니다.

전공정 중에서도 IC 칩 내에서 기능하는 핵심적인 소자를 제조하는 과정을 Front-End Of Line (FEOL) 이라고 하고, FEOL에서 만들어진 소자들 사이, 그리고 외부 접점과 금속 배선을 형성하는 공정은 Back-End Of Line (BEOL)이라고 합니다.

 

아래는 8대 공정에 대해 참고할만한 유튜브 영상입니다.

https://youtu.be/bAXxxmXCk1o?si=Gb3y8WPgaWxRc03t

 

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간략하게 8대 공정에 대해서 정리해봤는데요, 각 단계의 세부 내용을 공부하기 이전에 반도체 제조 공정에서 기초적으로 알고 있어야 하는 내용들을 정리해보겠습니다.

 

먼저 반도체의 소재는 "Si"입니다. 왜 Si를 사용할까요?

Si는 지각의 28%에 해당할 정도로 풍부한 원소이며 고순도로 정제된 Si 웨이퍼를 만들기 쉽다는 특징이 있습니다. 또한 Si는 적당한 bandgap (1.12 eV)를 가져서 leakage current가 크게 발생하지 않습니다. 

추가적으로 SiO₂가 매우 좋은 insulator (bandgap: 9 eV, chemically stable)이고 oxidation 공정을 통해 Si로부터 쉽게 얻을 수 있다는 장점이 있습니다. 

Si의 packing density는 34% 정도로 불순물을 첨가하여 전도성을 변화시키는 doping 공정에 용이합니다. 참고적으로 Si는 solid solubility에 의해 max.doping conc. 가 ~ 10²⁰ cm^-3 정도입니다.

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또한 알아두어야하는 점은, 반도체 공정은 대부분 vacuum에서 진행됩니다. 그 이유는 무엇일까요?

첫 번째로 clean environment를 위해서 입니다. 불순물을 제거하고 native oxide의 생성을 억제하기 위해 vacuum에서 공정을 진행합니다. Native oxide는 예를 들어 Si가 상온, 대기압에 존재하면 SiO₂가 1~2 nm가 형성되는데, 이는 원하지 않는 oxide 층에 해당하기 때문에 형성을 억제하기 위해서 vaccum 상에서 공정을 진행합니다.

두 번째로는 mean free path를 키우기 위해서 입니다. Deposition 공정 등에서 reactive gas 입자들을 가속시켜 웨이퍼에 충돌시킨다거나 하는 단계들이 있는데요, 이때 직진성을 키우기 위해서입니다. Mean free path를 나타내는 수식은 아래와 같습니다. 여기서 P 압력을 낮추면 mean free path를 키울 수 있기 때문에 vacuum에서 공정을 진행합니다.

세 번째로는 plasma를 사용하기 위해서 입니다. Plasma는 제 4의 상태로 gas 상태에서 에너지를 더 가해주어 이온화된 원자핵과 전자가 따로 떠돌아 다니는 상태를 의미합니다. Plasma는 전기적으로 매우 conductive한 상태이며 electric field, magnetic field 에 영향을 잘 받습니다. 따라서 외부에서 이런 field를 가해주면 plasma를 control할 수 있습니다. 또한 높은 에너지, 높은 반응성을 가져 낮은 반응성의 물질들에 plasma를 가해 높은 반응성을 갖도록 할 수 있습니다.

Plasma는 아래 그림과 같이 진공 상태 안에 특정 gas를 넣고 아주 높은 DC 혹은 AC 전압을 가해주어서 전자를 충돌시켜주어 형성합니다.

현재 반도체 공정에서는 대부분 Ar plasma를 사용합니다. Ar는 비활성 기체이기 때문에 plasma 가 되기 전에 웨이퍼와 반응하지 않게 하기 위해 사용됩니다. (Ar은 비활성 기체 중 가장 저렴하고 낮은 이온화 에너지를 갖습니다.) 같은 맥락으로 plasma를 사용하기 위해서 대기압의 조건이 아닌 vacuum을 사용하는 것입니다.

 

Vacuum은 아래와 같이 분류할 수 있습니다. (더 낮은 압력의 진공도 존재하지만 생략) 반도체 공정에선 저진공에서 고진공 정도 사용되며 해당 진공 상태를 만들기 위한 여러가지 pump들이 존재합니다.

진공의 분류	torr	Pa	비고
저진공	760 ~ 1	105 ~ 102	rotary pump
중진공	1 ~ 10-3	102 ~ 10-1
고진공	10-3 ~ 10-7	10-1 ~ 10-5	turbo pump / cryo pump (극저온)
초고진공	10-7 ~ 10-10	10-5 ~ 10-8

(Atmospheric pressure 760 torr)

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다음으로는 8대 공정에 분류되지는 않지만, 공정 단계 중간중간 꼭 필요한 공정인 cleaning 공정에 대해 정리해보겠습니다.

반도체 공정은 clean room에서 진행되는데요, 이는 화학 반응 등에 영향을 줄 수 있는 외부 요인을 차단하기 위해서 입니다. 따라서 clean room은 constant temperature & humidity 환경을 유지합니다.

HEPA 필터, 방진복 등 여러 방식을 통해 cubic foot 내 존재하는 particle의 개수를 통해 구분되는 "class"로 air quality를 평가하고 환경을 유지하는 과정을 거칩니다.

 

하지만 이러한 clean room에서 진행되는 반도체 공정임에도 불구하고 typical한 contaminants (particles, metal, organic, micro-roughness, native oxide)들이 존재합니다. 이를 제거하기 위해 공정의 각 단계 전/후에 wafer cleaning 공정이 필요합니다.

 

RCA cleaning

RCA cleaning은 1960년대에 개발된 표준적은 cleaning step으로 중요한 공정 전/후에 사용됩니다. 이 단계는 organics, heavy metals, alkali ions 등을 제거하기 위한 공정으로, 총 5가지 단계로 구성되어 있고 순서나 과정은 공정에 따라 달라질 수 있습니다.

1) Piranha (H₂SO₄ + H₂O₂) : organic residue 제거

2) SC-1 (NH₄OH +H₂O₂ + H₂O) : organic & particle 제거

3) Native oxide strip (HF or BOE)

4) SC-2 (HCl + H₂O₂ + H₂O) : metallic contaminants 제거

5) Rinse & dry

각 단계에 대해서 더 자세히 살펴보겠습니다.

 

1) Piranha

Piranha (H₂SO₄ + H₂O₂)를 통해 organic residue를 제거하는 과정입니다.

H₂SO₄ : H₂O₂ = 1(98%) : 1(30%) 의 비율로 organic residue를 H₂O₂가 산화시키고 산화된 부분을 H₂SO₄가 녹여서 제거하는 방식입니다.

 

2) SC-1

SC-1 (NH₄OH + H₂O₂ + H₂O)를 통해 organic & particle 제거하는 과정입니다.

NH₄OH : H₂O₂ : H₂O = 1 : 1 : 5 의 비율에 80 ℃에서 10 min 가열을 통해 진행합니다.

실리콘 표면에서 H₂O₂를 통해 산화된 SiO₂ 층이 NH₄OH의 OH^-에 의해 HSiO₃^-이 되고 이는 수용성이기 때문에 물에 녹으면서 particle이 떨어져 나가게 됩니다. 혹은 유기물이 아닌 particle의 경우에는 OH^- 이온들이 particle과 Si 표면에 달라붙어 서로 척력에 의해 제거하는 방식도 있습니다.

 

3) Native oxide strip

순서는 native oxide strip은 맨 마지막에 할 수도 있습니다.

1:100 or 1:50 으로 희석된 HF를 통해 아래와 같은 반응식을 통해 native oxide strip을 진행합니다.

하지만 이 경우에는 F의 농도가 계속해서 낮아져서 시간이 지날수록 etch rate이 감소한다는 단점이 있습니다. 이를 극복하기 위한 방안이 BOE (Buffered Oxide Etchant)로, HF + NH₄F를 통해 buffer를 넣어주어 F가 계속 같은 농도로 유지되도록 하는 방식입니다. 

HF 보충

 

4) SC-2 

SC-2 (HCl + H₂O₂ + H₂O) 를 통해 metallic contaminants를 제거하는 단계입니다. 

HCl : H₂O₂ : H₂O = 1 : 1 : 6 의 비율로 80 ℃에서 10 min 가열을 통해 진행합니다.

HCl이 금속성을 가진 오염물들을 이온화하고, H₂O₂의 oxidation을 거쳐 solvent인 H₂O에 녹이는 방식으로 세정이 진행됩니다.

 

위의 RCA cleaning 말고도 다른 방식은 Megasonic (Ultrasonic) 방식입니다. 초음파 세정기를 통해 미세한 진동을 만들어 물리적으로 cleaning을 진행하는 방식으로, SC-1, SC-2 등 liquid cleaning solution들과 함께 사용할 수 있습니다.

 

Gettering

Gettering은 RCA cleaning 후 active region에 남아있는 metal, alkali ions들을 제거하는 단계입니다.

Alkali ion의 경우 topside에 PSG (Phosphosilicate) 나 barrier Si3N4 layer 형성을 통해 ion들을 trap시키는 방식 (extrinsic gettering)을 사용합니다.

Metal ion의 경우 wafer backside에 trap layer를 형성하여 이 영역에 metal ion들을 trap 시키거나 (extrinsic gettering)  웨이퍼 내부에서 열처리를 통해 산소 침전물을 형성하고 defect를 유도하여 금속 불순물을 포집함으로써 불순물을 제거하는 방식 (intrincsic gettering)이 있습니다.

 

 

다음 글부터는 본격적으로 8대 공정에 대해 세부적인 내용을 정리해보겠습니다 ~

 

참고

youtube| Sungho Kim