삼성전자의 '반도체 8대공정' 한번에 쉽게 정리하기!

반도체 INSIGHT 3

삼성전자의 '반도체 8대공정' 한번에 쉽게 정리하기!

 

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반갑습니다! 여러분들 😉

반도체 INSIGHT로 또 다시 찾아온 calabrone입니다!!

오늘은 많이 들어보셨을 수도 있는 반도체 공정 이야기를 해보려고 합니다 

8대공정? 5대공정? 이게 다 무슨 말일까요? 

반도체를 만들기 위해서는 어떤 공정이 필요하고

그 공정이 반도체에 어떤 작용을 하는지 알아보도록 해요ㅎㅎ

마음에 준비가 되셨다면 바로 본격적으로 시작해보도록 하죠! 

✨ 레츠기릿!!! ✨

 

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자, 우선 반도체 하나가 만들어지기까지

세부적으로는 700~1000개의 단위공정을 거쳐야 합니다 👀

다양한 핵심 공정을 여러 번 반복하는 과정을 거치기도 하고,

반도체의 종류별로 그리고 기업별로 공정 방식이 조금씩 다르기 때문이죠!

 

'삼성전자'에서는 반도체 공정을 크게 '8대공정'으로 이야기하고

'SK하이닉스'에서는 '5대공정'으로 주로 이야기를 하는데요

먼저 이번 시간은 8대 공정을 쭈욱 살펴보겠습니다!

 

 

1. 실리콘 웨이퍼 제조

일단 반도체 칩을 만들기 위해서는 칩이 될 수 있는 판이 있어야겠죠?

바로 웨이퍼(Wafer)라고 불리는 원 모양의 얇은 판을 가지고

네모 모양으로 작게 잘라서 칩들을 만들어냅니다

웨이퍼를 만들 때 가장 많이 쓰이는 재료는 Si(실리콘)인데요,

지구에서 풍부하게 존재하여 쉽게 구할 수 있고

독성이 없으며, 반도체로써의 특징을 잘 가지고 있기 때문입니다!

 

실리콘을 도가니에 넣어서 녹인 뒤

Seed라는 추를 줄에 매달아 도가니에 넣습니다.

그리고 천천히 회전시키면서 올려주면 

Seed를 중심으로 실리콘 원기둥이 성장하여 Ingot(잉곳)이 만들어지고,

이런 잉곳 제조방식을 초크랄스키법이라고 해요!

이렇게 만들어진 잉곳을 다이아몬드 톱을 이용해서 

얇게 썰어주면 그게 바로 웨이퍼가 되는 것입니다 

 

 

2. 산화공정(Oxidation)

이제 만들어진 웨이퍼 위에 여러가지 작업을 하기 전에

산화막(SiO2)을 웨이퍼 표면에 만들어주는 과정입니다!

이 산화막은 오염물질이나 화학물질로부터 웨이퍼 표면을 보호하는 역할을 해요

의도하지 않은 불순물들은 실리콘의 비저항과 전도율을 변화시켜,

전기적인 오류를 발생시킬 수 있기 때문에 차단시키는 것이 필요하답니다ㅎㅎ

그리고 반대로 의도적으로 웨이퍼 내부에 주입시켰던 불순물들은 

웨이퍼 표면에 도달하지 못하도록 하는 역할도 있구요

마지막으로 표면 위에 올릴 배선끼리 합선이 되지 않도록 절연막 역할도 톡톡히 하게 됩니다

 

 

3. 포토공정(Photo Lithography)

웨이퍼에 산화막까지 입혔다면 이제 본격적으로 반도체 회로를 만들어 봐야겠죠?

우선 회로 모양을 유리판에 E-BEAM(Electrical Beam)으로 새겨놓은 MASK을 만들어야 합니다

(MASK는 'Reticle'이라고 부르기도 합니다, 필요한 부분을 가리기 위한 도구예요)

마치 우리가 사진을 찍어서 인화시키는 과정과 비슷한데요!

(그래서 이름부터가 '포토'공정입니다ㅎㅎ)

 

그 다음, 산화막을 씌운 웨이퍼 위에 Photo Resist(감광액, PR)을 얇고 균일하게 발라주는데요

이 포토 레지스트는 빛을 받으면 화학적인 반응을 일으키는 용액입니다

빛을 받은 부분과 받지 않은 부분을 서로 구별시켜줘서

이따 필요없는 부분을 제거하기 위해 사용되죠!

 

그래서 이제 '웨이퍼 - MASK - 빛' 이런 순서로 놓고

빛을 웨이퍼 방향으로 쏘아주게 되면

MASK에 새겨진 회로 패턴에 따라 원하는 모양으로 원하는 부분만 빛이 도달하게 되는데요

여기서 빛을 쏘는 공정을 '노광공정(Stepper Exposure)'이라고 부릅니다

(Stepper Exposure은 단순히 빛에 노출시키는 것을 넘어서

선택적으로 원하는 일부에만 빛을 조사하는 것을 의미합니다!)

이때 MASK는 보다 미세한 패턴을 그리기 위해

  웨이퍼보다 훨씬 큰 사이즈로 만들고,

대신 렌즈를 통해서 사이즈를 칩에 딱 맞게 줄여서 빛을 쏘아줍니다!

 

 

마지막으로 빛을 받은 감광액 부분 또는 빛을 받지 않은 감광액 부분을 

없애주는 과정이 현상공정(Develop)이라고 부릅니다!

필요없는 감광액 부분이 사라지면

딱 우리가 원하는 패턴의 회로도가 웨이퍼 위에 표시되었겠죠? 오예!

 

 

4. 식각공정(Etching)

이제 웨이퍼 위에 감광액으로 표시된 부분을 따라

실제 웨이퍼를 깎아내는 공정입니다

미술에서 판화 그림을 찍어내는 틀 같은 거를 만든다고 생각하시면 되요ㅎㅎ

이때, 다양한 방식으로 에칭을 할 수 있지만,

가장 중요한 것은 '얼마나 균일하게(Uniformity) 그리고 빠르게(Etch Rate) 식각을 할 수 있는지'입니다!

깎인 부분이 일정하지 않다면 웨이퍼 특성이 부위별로 다르게 나타나게 되고

불량이 발생할 수 있겠죠?

그리고 일정 시간 동안 더 많은 양을 깎아서 처리할 수 있어야

전체적인 반도체 수율을 높일 수 있을 것입니다!

 

 

5. 증착공정(Deposition)

증착공정은 회로 패턴대로 깎여진 칩에 1마이크로미터 이하의 얇은 막을

여러 겹으로 쌓아서 원하는 전기적인 특성을 갖게 만듭니다!

(얇은 막을 증착시키는 공정이기 때문에 Thinfilm, 박막 공정이라고 부릅니다)

이 때 물리적 기상증착방법(PVD)과 화학적 기상증착방법(CVD) 두 가지 방식이 존재하구요

이렇게 증착된 박막들은 전기적 신호를 연결해주는 전도층과

전기적인 신호를 분리하고 외부 불순물로부터 보호하는 절연막층으로 이루어져 있는데요ㅎㅎ

 

반도체가 전기적인 성질을 완전히 가지려면

위에서 잠깐 언급했던 것처럼 웨이퍼 내부의 전기적인 신호가 필요한 부분에

필요한 불순물을 '이온 형태'로 주입해야 합니다

 그래서 이것을 이온주입 공정(Ion Implantation)이라고 부르죠!

불순물을 균일하게 주입시켜 웨이퍼가 일정한 전도성을 갖게 하는 것입니다

그리고 이때, 불순물 입자들을 웨이퍼 내부에서 확산시키는 것을 'Diffusion 공정'이라고 합니다

(디퓨저에서 향이 퍼져 나가는 것처럼 이것도 디퓨전 공정이죠!)

 

 

6. 금속배선 공정(Metallization)

이제 마지막으로 반도체 칩이 제 기능을 할 수 있도록

전기적 신호만 가해주면 되겠죠?

그래서 금속배선 공정을 통해서 금속선을 만들고

회로패턴을 서로 전기가 잘 통하도록 연결해줍니다

이때 중요한 점은 전기저항이 낮고 화학적 특성이 안정되어 잘 변하지 않는 금속을

사용하는 것이 중요합니다

그리고 웨이퍼와 잘 붙어 있으며 복잡하고 미세한 패턴에 맞게 금속선을 형성할 수 있어야겠죠?

마지막으로 가격이 상대적으로 저렴해야 대량생산을 하는데 어려움이 없을 것입니다!

주로 구리(Cu), 알루미늄(Al), 텅스텐(W) 등이 사용된다고 하네요ㅎㅎ

 

 

7. EDS(Electrical Die Sorting) 공정

EDS 공정은 완성된 칩이 잘 만들어졌는지 Test하고,

양품과 불량품으로 분리하는 공정입니다!

반도체 공정에서는 수율(Yield)를 높이는 것이 매우 중요한데요

(수율 : 정상 제품 수 / 전체 생산 제품)

불량품을 미리 선별하여 폐기시키거나 수정을 통해 양품으로 만들어줍니다!

따라서 이 공정은 수율을 높이기 위해 꼭 필요한 공정이라고 할 수 있겠죠?

이 때, 칩 안의 개별소자들이 전기적 특성(전압, 전류)를 spec에 맞게 잘 충족시켰는지,

그리고 고온과 저온에서 정상적으로 작동하는지 등을 검사하게 됩니다

 

 

8. 패키지(Package) 공정

검사까지 다 제대로 마쳤다면!

이제 진짜 고객에게 나가기 전에 포장을 해야겠죠?

그래서 반도체는 패키킹 공정을 통해서

고객에게 보여지는 가장 겉면을 갖게 됩니다

이 외부 패키지는 반도체의 '옷'에 해당하는데요

외부 충격과 오염으로부터 보호 기능을 할 뿐만 아니라 

발생하는 열을 배출하고 반도체를 냉각시키는 기능도 합니다

 

 

이러한 패키징 공정에서 완성된 웨이퍼 칩을 '리드 프레임(Lead Frame)'이라는 판 위에 올리고,

칩과 리드 프레임을 금속 연결(Wire Bonding)을 통해서 전기적으로 연결해줍니다

그리고 반도체가 어떤 장비 등에 부착되어 사용될 수 있도록 바깥 쪽에서 접지하는 부분인 Ball을 달고

원하는 형태에 맞게 외부를 덮어주면 반도체가 드디어 완성됩니다!

 

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삼성전자의 8대공정

1. 실리콘 웨이퍼 제조

2. 산화공정(Oxidation)

3. 포토공정(Photo)

4. 식각공정(Etching)

5. 증착공정(Deposition)

6. 금속배선 공정(Metallization)

7. EDS(Electrical Die Sorting) 공정

8. 패키지(Package) 공정

 

반도체를 만들기 위해서는

이 8대공정을 비롯한 여러 공정을 계속해서 여러 번 반복하게 되는데요

그래서 반도체 하나를 만드는데 정말 많은 시간과 노력이 들어간다는 점을 알고 계시면 좋을 것 같아요ㅎㅎ 

다음 시간에는 SK하이닉스의 5대공정에 대해 알아보겠습니다

오늘도 함께 해주셔서 감사합니다!

지금까지 calabrone이었습니다 😍

 

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