반도체 공정의 시작

반도체 공정

#시작하며

앞선 반도체 소자 공부를 하며 포스팅하기에 앞서, 20-2학기에 반도체 공정 수업을 우선으로 수강하였다. 공정을 먼저 듣고 소자 수업을 들었던 터라, 공정 수업을 들을 때에는, 그 속의 작용과 상태 등을 이해하지 못하고 무작정 외우기에 급급한 공부를 진행했다. 따라서, 현재 소자 수업을 들은 후 1학기가 지난 지금의 공정 지식은 거의 남아있지 않는 상태이다. 따라서 반도체 공정을 포스팅하며, 복습하는 과정을 통해 공정 기초 지식의 기반을 다지려 한다.

 

#반도체 공정

반도체 제조공정은 설계와, 웨이퍼를 가공하는 전공정(FAB공정), 가공된 웨이퍼 내의 칩(Chip)들을 자르고 조립하는 후공정(Packaging)으로 구분할 수 있다. 전공정에는 웨이퍼 제조, 포토 식각, 박막 증착, 금속 배선, 산화 및 확산, 이온주입, 화학적 기계적 연마, 세정 공정 등이 있으며, 후공정에는 EDS, 패키징, 최종 검사 등이 있다.

 

• 8대 공정

반도체를 만들기 위해서는, 위의 설명과 같이 전공정, 후공정, 보통 총 8가지의 과정을 거치는데, 이를 반도체 8대 공정이라고 부른다.

반도체 8대 공정(출처. 한국기술대학교)

위 그림에 나타난 각 공정 파트들을 공부해볼 것이다.

 

#웨이퍼 제조 공정

웨이퍼 공정은, 반도체를 만들 기판을 제조하는 과정이다. 보통 4족원소인 규소(실리콘, Si)를 재료로 만들며, 원통형인 잉곳을 만들고, 그것을 얇게 자른 것이 웨이퍼라고 할 수 있다.

잉곳 (출처. Green power)

• 잉곳 만들기

웨이퍼의 주재료인 잉곳을 만들기 위해서는, 진공의 도가니 속에 고순도 다결정 실리콘은 넣고 녹여야 한다. 그리고 단결정 실리콘으로 된 시드를 살짝 담근 후, 돌려가며 꺼내게 되면, 잉곳으로 식어진다. 잉곳은 수 나노미터의 미세한 공정을 다루기 때문에, 초고순도의 잉곳이 필요하다.

• 잉곳 절단

웨이퍼의 두께가 얇아짐에 따라 제조원가가 줄어들고, 지름이 클수록 한번에 생산 가능한 반도체 칩의 수가 증가하기 때문에 해당 공정과정을 거친다. 다이아몬드 톱을 이용하여 원통 모양으로 다듬은 후, 얇은 슬라이스로 절단한다.

• 웨이퍼 표면 연마

얇게 슬라이스된 웨이퍼의 표면을 연마하는 과정이다. 웨이퍼의 표면에 흠결이 있거나 거칠 경우, 회로의 정밀도에 영향을 주어, 연마액과 연마 장비를 통해 표면을 다듬어 매끄럽게 만든다.

• 세척과 검사

연마 과정을 거친 웨이퍼 표면에 남아있는 오염물질을 제거하고, 검사하는 과정이다. 

 

해당 과정들을 거치게 되면, 반도체 집적회로의 핵심 재료인 웨이퍼가 완성된다.

 

#Mask 공정

웨이퍼 마스크 공정은 반도체 회로가 미세하고, 축소 촬영을 거칠 시, 마스크 위의 먼지나 이물질의 크기도 그만큼 작아져 회로의 오작동을 줄일 수 있기 때문에 웨이퍼보다 크게 제작한다. Mask 공정은 회로설계, Mask 제작 순서로 이루어지며, 회로설계는 컴퓨터 프로그램인 CAD를 이용하여 전자회로 패턴을 설계한다. 이후 Mask 제작에서는, 설계된 회로 패턴을 이빔 설비 장비를 이용하여 빛으로 회로를 그려 Mask를 제작한다.

 

#산화 공정

MOSFET과 같은 기본적인 반도체에는 누설전류가 발생할 수 있기 때문에, 이를 방지하기 위해 절연체가 매우 중요하다. 이러한 절연체를 만들기 위해서, Si 웨이퍼 기판의 산화공정을 거친다. 해당 산화공정은, 건식과 습식으로 나뉘며, 고온에서 산소나 수증기를 웨이퍼의 표면과 반응시켜 얇고 균일한 실리콘 산화막을 형성하는 공정이다. 즉, 먼지와 같은 이유로 반도체가 오염되는 것을 막아주기 위해 보호막을 만드는 과정이다.

• 건식 산화는 산소 기체와 반응시켜 산화막을 형성하고,
• 습식 산화는 산소와 수증기를 반응시켜 산화막을 형성한다.

#Photo 공정(Lithography)

다음으로 포토공정이다. 이는, 앞서 절연체를 통해 덮어주어 Wafer를 보호하였던 산화막을 원하는 부분에만 있도록 하는 과정이다. 빛을 이용하여, 회로 패턴이 담긴 마스크를 웨이퍼 위에 그리는 공정이며, 감광액 도포, 노광공정, 현상 공정 순으로 이루어져 있다.

• 감광액 도포

포토공정은 감광액 도포로 시작한다. 액체상태에서 빛에 민감한 감광액의 성질을 이용하여 사진을 현상하는 것과 같이 웨이퍼를 인화지로 만들어주는 작업이다.

• 노광(Stepper Exposure) 공정

노광공정은 감광액이 코팅된 웨이퍼에, 노광 장비를 사용하여 Mask(Reticle)에 빛을 통과시켜 웨이퍼에 회로 패턴을 그려 넣는 공정이다.

Stepper 노광장비 (출처. https://en.wikipedia.org/wiki/Stepper#/media/File:Stepper.gif)

위 그림과 같이, 웨이퍼 위에 Mask(Reticle)를 놓고, 빛을 쪼아주면 회로 패턴을 통과한 빛이 웨이퍼에 회로 패턴을 그대로 옮겨 넣는다.

 

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* 노광장비의 구성

노광장비 구성 (출처. 한국기술교육대학교)

• 조명계

반도체 Photo 공정에서 원하는 형상을 노광을 통해 구현하기 위한 광원장치와 렌즈들의 어셈블리

#1 - EUV Plasma Source(광원) --> illumination optics

#2 - 렌즈 어셈블리 --> Conderser lens

• Alignment 부

Mask(Reticle)와 Wafer의 위치를 일치되도록 조절해주는 부분

출처. 한국기술교육대학교

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*Track 장비

Track 장비 (출처. 한국기술교육대학교)

웨이퍼가 빛에 노출되는 노광공정을 제외한 전체 Photo 공정은, Track이라는 장비에서 Bake, Coating,  현상, 린스(약한 세정) 등을 진행한다. 

감광제는 일정량을 웨이퍼 상에 떨어뜨린 후, 빠른 속도로 웨이퍼를 회전시켜 감광제가 웨이퍼 위에 얇게 퍼지도록 한다.(Spin coating). 회전 속도를 높일수록 표면에 코팅되는 두께가 얇아지므로, rpm을 조절하여 빛이 적절히 감광되는 두께로 감광제를 코팅한다. 감광제는 전체면이 균일하게 코팅되어야 감광 깊이가 일정해져 식각에서의 불량이 줄어든다. 

PR 코팅시에는 PR액이 웨이퍼 가장자리에 흘러내리므로(Edge bead), PR 코팅을 진행하면서 동시에 PR액을 Thinner로 제거해주여야 웨이퍼 뒷면의 오염을 막을 수 있다.

출처. 한국기술교육대학교

 

• 현상 공정

마지막으로 현상 공정은 웨이퍼에 현상액을 뿌려가며, 노광 된 영역과 그렇지 않은 영역을 선택적으로 제거하여 회로 패턴을 형성하면 Photo 공정은 끝이 난다.

 

#마치며

오늘은 전반적인 반도체의 공정에 대해 알아보았고, 8대 공정 중, Photo 공정까지의 과정을 공부하였다. 다음 포스팅에는 식각, Etching공정을 시작으로 다시 이어나갈 것이다.