반도체_반도체 제조공정(웨이퍼, 회로설계, 마스크제작)

지난 포스팅까지 반도체의 역사와 개요 및 사용처에 대해 알아보았습니다. 이번 포스팅 부터는 반도체 제조공정에 대해 알아보겠습니다. 반도체 제조공정은 전/후 공정으로 나눠져있으며 과정이 많기 때문에 3-4회에 걸쳐 포스팅 하겠습니다.

1. 반도체 제조공정 개요

집적회로를 실제로 보게된다면 놀랄 것이다. 바로 사이즈가 손톱만큼이나 작고 얇은 실리콘 칩에 지나지 않지만 그 안에는 수천만개 이상의 전자부품들이 가득 들어있다. 그 예로는 캐패시터, 저항, 다이오드, 트랜지스터가 있다. 각각의 부품들이 설계자의 설계에 맞춰 비메모리(논리게이트) 또는 메모리(기억소자)가 되는것이다. 이러한 각각의 부품들은 칩속 내부에서 따로 따로 만들어 지는것이 아닌 초미세 공정을 이용해 패턴으로 만든다. 이 패턴들은 여러 Layer를 쌓아서 제작된다. 이러한 문양을 제작하기 위해서는 마스크를 이용해 제작한다. 아래 표는 반도체 제조공정에 개요에 대한 모식도다. 웨이퍼 제조공정부터 살펴보겠습니다.

반도체 제조공정 모식도

2. 웨이퍼 제조공정

웨이퍼는 실리콘을 이용해 제작된다. 실리콘은 지구상에 2번째로 많이 존재하는 재료다. 모래에서 실리콘을 추출하며 해당 실리콘을 통해 높은 순도의 단결정웨이퍼를 만들어내는 과정을 의미한다. 제조 공정에 대한 모식도는 다음과 같다. 단결정을 형성하기 위해선 Poly Silicon과 Dopant가 필요하다. Dopant는 웨이퍼 기판의 Type을 정하기 위해 사용된다. 대표적으로 P Type은 붕소, N Type은 인을 사용한다. 폴리실리콘 결정을 녹여 잉곳으로 만든다. 이렇게 녹은 상태의 폴리실리콘을 MELT라고 부른다. MELT 상태에서 Seed를 넣어주게 되면 단결정 실리콘 잉곳이 생성된다. 따라서 주요 제어변수로는 Seed회전수, Crucible 회전수가 있다. 웨이퍼는 반도체 제조의 Cost를 결정하는 중요 요소임과 동시에 최근에는 초미세화 공정이 되면서 Leak Current제어를 위해 기판의 품질자체도 점점 중요해지고 있다. Tailing과 Cooling도 중요한 요소다. Tailing을 잘할 수록 Ingot Loss가 감소해  생산수율이 향상된다. 마지막으로 잉곳 절단을 위해 냉각을 진행하며 냉각 방법과 시간 위치에 따라 특성이 달라질 수 있다. 대략 2시간 정도의 냉각시간을 가져간다. 마지막으로 원판으로 슬라이싱 및 워싱 그리고 에지 그라인딩 과정을 마지막으로 제품이 출하된다. 

웨이퍼 제조 공정 Flow

3. 회로설계 및 마스크 제작과정

회로설계는 CAD를 이용하여 제작한다. 실제 웨이퍼위에 그려질 회로패턴을 설계한다. 회로 도면의 크기는 굉장히 크며 50~100Meter가 된다. 제작된 회로는 E-Beam을 사용하여 마스크로 제작된다. 보통 포토마스크라고 부르는데 노광공정에서 빛에다 마스크를 통과시켜 웨이퍼 기판위에 회로를 제작하게 된다. 마스크 제작은 아래와 같이 진행된다. 회로의 레이아웃은 수직방향(두께)는 CVD와 도핑 두께로 결정되며 수평방향은 패턴의 크기로 결정된다. 레이아웃의 첫 단추는 물리적 소자 크기를 계산하는 것이며 이는 전기적 파라미터를 결정한다. 이전에는 다양한 과정이 사용되었지만 결함과 시간이 많이 발생해 최근에는 E-beam을 사용한다. 레티클에 의해 포토마스크를 만들면 왜곡이 발생한다. 또한 step and repeat은 X,Y 축의 위치 Error를 발생시킨다. 이를 해결한것이 E-beam이다. PR 노광을 위해선 E-beam에 의해 제작된 마스크를 통해 얼라인이나 스테퍼 장치에 사용된다. 지금까지 웨이퍼 가공전에 필요한 기초단계인 웨이퍼 제조 과정, 회로설계, 마스크 제작과정에 대해 알아보았습니다. 다시 요약하자면 웨이퍼는 모래로부터 고순도 단결정을 만드는 기판이 된다. 또한, 회로 설계는 웨이퍼상에 구현될 전자회로를 설계하는 과정이며 마스크는 전자회로를 각 층별로 분류하여 유리로 제작된 석영판 마스크에 회로를 그리는 과정이다.. 다음 포스팅에서는 이제 각 공정별 특징과 제어 요소에 대해 살펴보겠습니다.