반도체 8대 공정

반도체 8대 공정

: 반도체가 완성되기까지 거치는 수백 번의 과정을 크게 8개의 공정으로 구분

1. 웨이퍼 제조
웨이퍼란?
반도체 집적회로를 만드는데 사용하는 주재료

2. 산화 공정
웨이퍼 표면에 실리콘 산화막을 형성해 트랜지스터의 기초를 만드는 공정

3. 포토 공정
웨이퍼 위에 반도체 회로를 그려 넣는 과정

4. 식각 공정
반도체의 구조를 형성하는 패턴을 만다는 과정
노광(감광액, 산화막, 웨이퍼) -> 식각(감광액, 산화막, 웨이퍼)
필요한 회로 패턴을 제외한 나머지 부분 제거

5. 증착 & 이온주입 공정
증착 공정
회로 간의 구분과 연결, 보호 역할을 하는 '박막' thin film을 만드는 과정
이온 주입 공정
반도체가 전기적인 특성을 갖도록 만드는 과정

6. 금속 배선 공정
반도체 회로에 전기적 신호가 잘 전달 되도록 전기길(금속선)을 연결하는 과정

7. EDS 공정
Electircal Die Sorting
전기적 특성검사를 통해 개별 칩들이 원하는 품질 수준에 도달했는지를 확인하는 공정

8. 패키징 공정
반도체 칩이 외부와 신호를 주고 받을 수 있도로 길을 만들고
다양한 외부환경으로부터 안전하게 보호받는 형태로 만드는 과정

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< 1. 웨이퍼 Wafer 제조 >

반도체 집적회로 Semiconductor Integrated circuit
: 다양한 기능을 처리하고 저장하기 위해 많은 소자를 하나의 칩 안에 집적한 전자부품
웨이퍼라는 얇은 기반 위에 다수의 동일 회로를 만들어 반도체 집적회로가 탄성된다. 웨이퍼는 반도체의 기반.
실리콘, 갈륨 아세나이드 등을 성장시켜 만든 단결정 기둥을 적당한 두께로 얇게 썬 원판을 의미한다. 대부분은 모래에서 추출한 규소, 즉 실리콘으로 만든다.

웨이퍼
1. 잉곳 Ingot 만들기
2. 얇은 웨이퍼를 만들기 위해 잉곳 절단하기 wafer slicing
3. 웨이퍼 표면 연마하기 Lapping & Polishing 

반도체 사업
- 웨이퍼를 생산하는 웨이퍼 산업
- 웨이퍼를 자재로 해 회로를 설계하고 제조하는 웨이퍼 가공산업인 팹(FAB, Fabrication) 산업
- 가공된 웨이퍼를 가져다가 다이를 잘라서 습기나 압력에 보호받게 포장 package 하는 어셈블리 assembly 사업

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< 2. 웨이퍼 표면을 보호하는 산화공정 Oxidation >

- 웨이퍼의 보호막과 절연막 역할을 하는 산화막 SiO2

잉곳
모래에서 추출한 실리콘을 반도체 집적회로의 원재료로 탄생시키기 위해서는 일련의 정제 과정을 통해 잉곳 Ingoit이라 불리는 실리콘 기둥을 만든다.
이 실리콘 기둥을 균일한 두께로 절단한 후 연마의 과정을 거쳐 반도체의 기반이 되는 웨이퍼를 만든다.

 

웨이퍼
이렇게 만들어진 얇고 둥근 판 모양의 웨이퍼는 전기가 통하지 않는 부도체 상태이다. 그래서 도체와 부도체의 성격을 모두 가진 '반도체'의 성질을 가질 수 있도록 만드는 작업이 필요하다. 이를 위해 웨이퍼 위에 여러 가지 물질을 형성시킨 후 설계된 회로 모양대로 깎고, 다시 물질을 입혀 깎아내는 일이 반복된다.

산화공정
이 모든 공정의 가장 기초적인 단계.
웨이퍼에 절연막 역할을 하는 산화막을 형성해, 회로와 회로사이에 누설전류가 흐르는 것을 차단하기 위해서 이다. 
이온주입 공정에서 확산 방지막 역할, 식각공정에서는 필요한 부분이 잘못 식각되는 것을 막는 식각 방지막 역할

산화공정을 통해 형성된 산화막이 반도체 제조과정에서 든든한 보호막 역할을 한다.

산화막 형성
웨이퍼는 대기 중, 화학물질 내에서 산소에 노출되면 산화막을 형성한다.
(철이 대기에 노출되면 산화되어 녹이 스는 것과 같은 이치)

1. 열을 통한 열산화
: 800-1200'c의 고온에서 얇고 균일한 실리콘 산화막을 형성시키는 법
2. 플라스자 보강 화학적 기상 증착
3. 전기 화학적 양극 처리

열산화 방법 <- 산화반응에 사용되는 기체에 따라
1. 건식산화
: 순수한 산소 만을 이용
산화막 성장 속도가 느리다. 주로 얇은 막을 형성할 때 쓰인다.
전기적 특성이 좋은 산화물을 만들 수 있다.
2. 습식산화
: 산소와 함께 용해도가 큰 수증기를 함께 사용
산화막 성장속도가 빠르고 보다 두꺼운 막을 형성할 수 있다.
건식산화에 비대 산화층의 밀도가 낮다. 약 5-10배 정도 더 두껍다.


산화공정 : 반도체의 핵심 재료인 웨이퍼에 산화막을 형성해 표면을 불순물로부터 보호한다.
이후 반도체 설계 회로를 그려 넣는다.

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< 3. 전자 산업의 혁명, 직접회로 (IC, integrated circuit) >

웨이퍼 - 집적회로 칩 (다이) - 집적회로의 회로소자

집적회로
트랜지스터
: 반도체 격자구조의 조각에 도체선(전기가 흐르는데 사용되는 선)을 접촉시키면 전기 신호가 증폭한다. 증폭기. 

집적회로 IC
: 복잡한 전자 부품들을 정밀하게 만들어 작은 평면에 인쇄하듯 찍어내 차곡차곡 쌓는 것
트랜지스터, 저항, 다이오드, 캐패시터 등의 부붐들이 서로 연결돼 전기 신호를 연산하고 저장한다.
덕분에 제품의 크기가 작아져 적은 소비전력으로 빠른 정보처리가 가능하다. 대량생산 가능. 신뢰도 상승. 

트랜지스터 : 전원 켜고 끄는 스위치 역할
캐패시터 : 전하를 충전해 보관하는 창고 역할
저항 : 전류의 흐름을 조절
다이오드 : 신호를 고르게 전하는 역할

- 제조 방법
회로 소자들을 모두 미세하고 복잡한 패턴으로 만들어. 여러 층의 재료 속에 그려 넣는 방식.
미세한 회로를 손으로 그려넣는 것은 불가능. 사진을 찍는 방식을 활용 (4. 포토공정)

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< 4. 웨이퍼에 회로를 그려 넣는 포토공정 >

- 흑백사진 인화와 비슷한 포토공정
포토 공정 Photo = photo lithography
웨이퍼 위에 회로 패턴이 담긴 마스크 상을 빛을 이용해 비춰 회로를 그린다.
집적도가 높아질수록 포토 공정 기술 또한 세심하고 높은 수준의 기술을 요한다.

- 웨이퍼에 회로 패턴을 만드는 준비 단계
컴퓨터 시스템 CAD 이용. 웨이퍼에 그려 넣을 회로를 설계한다.

- 사진 원판의 역할을 하는 포토마스크 만들기
포토 마스크 Photo Mask
설계된 회로 패턴은. 순도가 높은 석영 (Quartz)을 가곡해서 만든 기판 위에. 크롬으로 미세 회로를 형상화 해. 포토마스크로 재탄생 한다.

마스크
Reticle. 회로 패턴을 고스란히 담은 필름. 사진 원판의 기능.
세밀한 패터닝을 위해 반도체 회로보다 크게 제작됨. 렌즈를 이용 빛을 축소해 조사하게 됨.

- 본격 포토공정, 웨이퍼를 인화지로 만드는 감광액 도포
감광액  PR
웨이퍼 표면에 빛에 민감한 물질을 골고루 바르는 작업
웨이퍼를 인화지로 만들어준다.
고품질의 미세한 회로 패턴을 얻기 위해서는 감광액 막 얇고 균일. 빛에 대한 감도 높아야

- 빛을 통해 웨이퍼에 회로를 그려 넣는 노광
노광 Stepper Exposure
노광장비 Stepper를 사용해 회로 패턴이 담긴 마스크에 빛을 통과시켜 웨이퍼에 회로를 찍어낸다
빛을 선택적으로 조사하는 과정

- 회로 패턴을 형성하는 현상 공정
현상 Develop
포토공정의 마지막 단계
패턴의 형상이 결정되는 매우 중요한 단계
웨이퍼에 현상액을 뿌려 가며 노광된 영역과 노광되지 않은 영역을 선택적으로 제거해 회로 패턴을 형성하는 공정

양성 / 음성
웨이퍼 위에 균일하게 입혀진 감광액 PR은 빛에 어떻게 반응하는가에 따라 양성, 음성
양성 감광액
노광되지 않은 영역을 남겨서 사용한다.
음성 감광액
노광된 영역만 남겨서 사용한다.

각종 측정 장비와 광학 현미경 등을 통해 패턴이 잘 그려졌는지 검사 후, 이를 통과한 웨이퍼만이 다음 공정 단계로 이동한다.

포토공정 : 웨이퍼 표면에 세밀한 회로 패턴을 찍는 
웨이퍼에 회로 패턴을 만들기 위해 필요한 부분을 남기고, 필요 없는 부분을 선택적으로 깎아애는 식각공정
반도체의 구조를 형성하는 패턴을 만드는 식각 공정 Etching

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< 5. 반도체 회로패턴의 완성 '식각 공정' >

- 동판화 에칭 Etching 기법과 비슷한 식각 공정
에칭 기법
판화 기법의 한 종류인 에칭 Etching과 비슷한 원리를 가진다.
산의 화학작용을 방지하는 방식제(그라운드)를 바른 동판을. 날카로운 도구를 이용하여 긁어내. 동판을 노출시키는 과정
동판을 부식액(묽은 질산)에 넣고. 부식의 진행 정도를 조절하여 이미지를 만든다.

반도체 식각 공정
웨이퍼에 액체 또는 기체의 부식액(etchant)을 이용해 불필요한 부분을 선택적으로 제거한 후 반도체 회로 패턴을 만든다.

포토공정에서 형성된 감광액 부분을 남겨둔 채. 나머지 부분을 부식액을 이용해 벗겨냄. 회로를 형성
식각이 끝나면 감광액도 제거한다. 
이렇게 반도체를 구성하는 여러 층의 얇은 막에 원하는 회로 패턴을 형성하는 과정을 반복한다.

습식 / 건식
식각 반응을 일으키는 물질의 상태에 따라 나뉜다.
선식 식각 Dry Etching
반응성 기체, 이온 등을 이용해 특정 부위를 제거하는 방법
습식 식각 Wet Etching
용액을 이용 화학적인 반응을 통해 식각하는 방법

건식은 비용이 비싸고 방법이 까다로운 단점. 최근에는 나노 단위로 고집적화 되는 반도체 기술 변화에 따라 회로선폭 역시 미세해지고 있다.
수율을 높이기 위한 방법으로 습식보다는 건식 식각이 확대되고 있다.

- 불필요한 부분을 선택적으로 없애는 건식 식각
건식 식각 Dry etching
= 플라즈마 Plasma 식각
일반 대기압보다 낮은 압력인 진공 챔버Chamber에 가스를 주입한 후. 전기 에너지를 공급하여 플라즈마를 발생시킨다.

플라즈마
고채-액체-기체를 넘어선 물질의 제 4상태. 많은 수의 자유전자, 이온, 중성의 원자 또는 분자로 구성되어 이온화된 기체

이온화
전기적으로 중성인 원자 또는 분자가. 자신이 보유하고 있던 전자를 떼어 내거나 추가함으로써. 양전하 또는 음전하 상태로 바뀌는 현상

플라즈마 상태
전기에너지에 의해 형성된 충분한 크기의 자기장이 기체에 가해질 때, 기체가 충돌하고 이온화됨으로써 발생한다.
자기장이 자유전자를 가속화시켜 높은 에너지를 가진 자유전자가 중성의 원자나 분자와 충돌하여 이온화를 일으키게 된다.
이때 이온화에 의해 생성된 추가 전자도 연쇄 반응에 의해 또 다른 이온화를 일으키면서 이온의 수가 기하급수적으로 늘어나게 된다.
플라즈마 상태에서 해리된 반응성 원자Radical Atom가 웨이퍼 위를 덮고 있는 막질 원자와 만나 강한 휘발성을 띠면서 표면에서 떨어져 나가게 된다.
이러한 반응을 통해 감광액(PR, Photo Resist) 보호막으로 가려져 있지 않은 막질은 제거된다.

건식 식각 과정에서 유의해야 할 사항
- 균일도 Uniformity를 유지하기
균일도
식각이 이루어지는 속도가 웨이퍼 상의 여러 지점에서 '얼마나 동일한 가'를 의미한다.
일정한 시간동안 공정을 진행한 상태에서 웨이퍼의 부위에 따라 식각 속도가 다를 경우, 형성된 모양이 부위별로 다르게 되어 특정 부위에 위치한 칩에 불량이 발생하거나 특성이 달라지는 문제가 발생할 수 있기 때문
- 식각 속도 Etch Rate
일정 시간 동안 막질을 얼마나 제거할 수 있는지. 
주로 표면 반응에 필요한 반응성 원자와 이온의 양, 이온이 가진 에너지에 의해서 변화한다.
인자의 조절 능력을 높여 전체적인 수율을 향상시키기 위해 노력하고 있다.
선택비 selectivity, 형상 profile 등이 건식 식각의 주요 인자로 중요하게 여겨지고 있다.


식각 공정 Etching : 반도체 회로 패턴을 완성. 
집적회로 기술의 산물인 반도체는 필요 물질의 박막을 실리콘 기판 전면에 바른 후 남기고자 하는 모양에 보호층을 덮어 이외의 부분을 깎아내는 작업을 여러번 반복

반도체가 원하는 전기적 특성을 갖출 수 있도록 웨이퍼 위에 씌우는 얇은 막을 뜻하는 '박막'에 대해 알아보자

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< 6. 반도체에 전기적 특성을 입히다. 증착&이온 주입 공정 > 

반도체 칩에는 미세학 수많은 층 layer 가 존재한다. 
반도체의 원료가 되는 단결정 실리콘 웨이퍼 위에 단계적으로 박막을 입히고 회고를 그려 넣는 포토공정. 불필요한 부분을 선택적으로 제거하는 식각공정. 세정하는 과정 여러번 반복

박막 Thin film
: 회로 간의 구분과 연결, 보호 역할을 하는 얇은 막
박막을 만드는 증착공정과 반도체가 전기적인 특성을 갖도록 만드는 일련의 과정
단순한 기계 가공으로는 실현 불가능한 1마이크로미터 이하의 얇은 막

- 웨이퍼에 얇은 옷을 입히는 증착 공정 deposition
증착 Deposition
: 웨이퍼 위에 원하는 분자 또는 원자 단위의 박박을 입하는 과정
두께가 워낙 얇기 때문에 웨에퍼 위에 균일하게 박막을 형성하기 위해서는 정교하고 세밀한 기술력을 필요로 한다.

증착의 방법
1. 물리적 기상증착 방법 PVD
: 금속 박막의 증착에 주로 사용됨. 화학 반응 수반안됨.
2. 화학적 기상증착 방법 CVD
: 가스의 화학 반응으로 형성된 입자들을 외부 에너지가 부여된 수증기 형태로 쏘아 증착시킴. 도체, 부도체, 반도체의 박막증착에 모두 사용될 수 있는 기술
현재 반도체 공정에서 주로 사용하는 방법
사용하는 외부 에너지에 따라 열, 플라즈마, 광 cvd
플라즈마 cvd
저온에서 형성이 가능하고 두께 균일도를 조절할 수 있으며 대량 처리가 가능하다는 장점

증착 공정을 통해 형성된 박막은
회로들 간 전기적인 신호를 연결해주는 금속막(전도)층과
내부 연결층을 전기적으로 분리하거나 오염원으로 부터 차단시켜주는 절연막층으로 구분된다.

- 웨이퍼를 반도체로 만드는 이온주입공정 Ion Implantation
이때 반도체가 전기적인 성질을 가지게 하는 공정이 수반돼야

이온 주입 공정 Ion Implantation
: 전기가 통하는 도체와, 통하지 않는 부도체의 성질을 동싱 가진 반도체에서. 이온 주입 공정은 실리콘 웨이퍼에 반도체의 생명을 불어넣는 작업.
순수한 반도체는 규소로 되어있어 전기가 통하지 않으나. 불순물을 넣어줘 전류를 흐르게 하는 전도성을 갖게 된다.

이때 불순물을 이온 Ion이라고 한다.
이온을 미세한 가스입자로 만들어 원하는 깊이만큼 웨이퍼 전면에 균일하게 넣어준다.

박막을 얼마나 얇고 균일하게 입혔느냐가 반도체의 품질을 좌우할 정도로 증착공정은 중요하다.
순수한 규소에 불순물을 넣는 이온주입공정을 통해 전도성을 갖게 된 반도체는 필요에 따라 전기가 흐르게, 또는 흐르지 않게 조절할 수 있다.

산화, 포토, 식각, 증착 공정을 통해 만든 소자들을 상호 연결하여 회로의 기능을 갖도록 하는 과정인 금속 배선 공정에 대해 알아보자.

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< 7. 전기가 통하는 길을 만드는 '금속 배선 공정' >

금속 배선 공정
포토, 식각, 이온주입, 증착 공정을 반복하면 웨이퍼 위에 수많은 반도체 회로가 만들어진다. 이 회로가 동작하기 위해서는 외부에서 전기적 신호를 가해주어야 한다. 신호가 잘 전달되도록 반도체 회로 패턴에 따라 전기길(금속선)을 연결하는 작업

- 전기길을 연결하는 금속 배선 공정
금속 배선 공정은 전기가 잘 통하는 금속의 성질을 이용한다. 
반도체의 회로 패턴을 따라 금속선Metal Line을 이어주는 과정이다.

- 금속 재료의 필요조건
웨이퍼와의 부착성
전기 저항이 낮은 물질
열적, 화학적 안정성
패턴 형성의 용이성
높은 신뢰성
제조 가격

베리어 메탈 Barrier Metal
알루미늄
대표적인 반도체용 금속 배선 재료. 산화막과의 부착성이 좋고 가공성이 뛰어나다
하지만 실리콘과 만나면 서로 섞이려는 성질을 갖고 있다. 이 때문에 실리콘 웨이퍼의 경우 알루미늄 배선 과정에서 접합면이 파괴되는 현상이 생길 수 있다.
이러한 현상을 방지하기 위해 알루미늄과 웨이퍼 접합면 사이에 장벽 Barrier 역할을 하는 금속을 증착한다.
이중으로 박막을 형성해 접합면이 파괴되는 것을 막을 수 있다.

증착
금속 배선 역시 증착을 통해 이루어진다.
금속을 진공 챔버에 넣고 낮은 압력에서 끓이거나 전기적 충격을 주면 금속은 증기 상태가 된다. 이때 웨이퍼를 진공 챔버에 넣으면 얇은 금속막이 형성된다.

금속 배선 공정에서도 좁은 영역에 균일한 박막을 형성시키기 위해 화학적 기상증착CVD 으로의 전환이 이루어지고 있다.

하나의 반도체를 만들기 위해 웨이퍼를 제조하고 회로 패턴을 설계해 가공하는 과정.
이러한 과정을 거쳐 완벽한 반도체 제품으로 탄생하기 위한 마지막 단계인 테스트와 패키지

마지막 절차인 테스트를 통해 양품, 불량품을 선별한다. 
- 웨이퍼 완성 단계에서 이루어지는 EDS 공정
- 조립 공정을 거친 패키지 상태에서 이루어지는 패키징 공정 Pakaging
- 제품이 출하되기 전 소비자의 관점에서 실시되는 품질 테스트

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< 8. 완벽한 반도체로 태어나기 위한 첫번째 테스트 'EDS 공정' >

EDS 공정
웨이퍼 위에 전자회로를 그리는 FAB 공정
최종적인 제품의 형태를 갖추는 패키지 공정 사이에 진행된다.
즉 전기적 특성검사를 통해 개별 칩들이 원하는 품질 수준에 도달했는지를 확인하는 공정
- 목적
웨이퍼 상태 반도체 칩의 양품/불량품 선별
불량 칩 중 수선 가능한 칩의 양품화
FAB 공정 또는 설계에서 발견된 문제점의 수정
불량 칩을 미리 선별해 이후 진행되는 패키징 공정 및 테스트 작업의 효율 향상

EDS 공정의 4단계
1. ET test & SBI
개별 소자에 전기적 직류 전압, 전류 특성의 파라미터를 테스트해 동작 여부 판별
2. Hot / Cold test
전기적 신호를 통해 웨이퍼 상의 칩이 특정 온도에서 정상적으로 동작하는지 판별
3. Repair / Final Test
수선 가능으로 판정된 칩들을 수선한 후 Final Test 공정을 통해 양, 불량 최종 판단
4. Inking
불량 칩을 육안으로 식별할 수 있게 특수 잉크로 표시하는 공정

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< 9. 외부환경으로부터 반도체를 보호하는 패키징 공정 >

 

 

 

출처 : 

www.samsungsemiconstory.com/2206?category=779002

[반도체 백과사전] 반도체 8대 공정 한 눈에 보기!