반도체 제조 공정 Overview (산화, 포토, 식각 공정 등)

PCB의 설계와 자작을 위해서 필요한 몇 가지의 공정들이 있습니다. 전자공학도로서 당연히 알아야 하는 과정이지만 이미 많은 세월이 (라고 해도 얼마 안됫다는 건 함정) 지나 해당 과정을 알기 위해서 반도체의 제작 공정을 통해서 다시 한 번 알아보고 실제 DIY PCB 자작 예를 통해서 이미지화 하고 넘어가도록 하겠습니다  본 블로깅은 SK하이닉스의 반도체 제조 공정 동영상의 전문과 블로그 http://binworld.kr/26, http://www.ntrexgo.com/archives/12600 에서 발췌한 내용입니다 그럼 시작하겠습니다 

                                                                                                                                                                               

 

 

- 반도체 제조 공정 -

오늘날 현대인은 다양한 디지털 환경에서 생활하고 있으며 그 환경을 분석하는 기기 핵심에는 반도체가 있습니다. 

반도체 회로 설계는 주어진 공정조건에 맞추어 제품의 특성을 구체화 하고 밑그림을 그리는 단계라고 할 수 있습니다. 다양한 반도체 제품을 설계하기 위해 오늘 날에는 여러 가지 프로그램을 이용하여 제품의 종류에 따라 최적화된 제품을 구성하고 도면 작업 및 시뮬레이션을 시행합니다. 

마스크는 반도체를 개발 및 생산하기 위한 일종의 원판 필름을 만드는 과정입니다. 회로 설계를 통해 만들어진 패턴을 실제 1~5배로 확대하여 쿼치라고 불리는 유리판 위에 전자빔을 이용해 새기면 마스크가 완성됩니다. 

쿼츠, 쿼치 (석영유리) 란?

석영유리는 순수한 규산(SiO2)로 이루어진 유리로, 영문으로는 fused silica, fused quartz, silica glass, quartz glass 등으로 다양하게 표현됩니다. 석영유리는 불순물이 수 백ppm 이하인 고순도의 규산을 고온(약 2,000℃ 이상)에서 용융하여 제조한 유리입니다. 일반적으로 천연광물 형태로 존재하는 순수한 규산 광물을 석영(quartz)이라 하고, 이들 중 투명한 결정을 수정이라고 하는데 인위적으로 제조하고 있는 석영유리와 구분할 수 있습니다.

석영유리 중 순도가 아주 좋은 천연석영(quartz)을 용융하여 유리로 만든 것을 fused quartz라고 부르며, 정제공정을 통하여 불순물을 제거한 규사를 용융시켜 제조한 것을 fused silica라고 합니다. 이외에도 사염화규소(SiCl4) 등과 같은 규소를 함유한 기체 혹은 액체상태의 화합물을 고온으로 용해하여 만든 것을 합성 석영유리(synthesized fused silica)라고 합니다.
 

 

석영유리는 연화온도가 1,600℃이상이며, 열팽창계수도 5.5 (x10-7/℃) 정도로 열충격저항이 우수하여 열선보호관, 이화학기구, 특수 조명용관으로 사용되고 있습니다. 이외에도 반도체 제조공정에서 Si 웨이퍼(wafer)를 운반하는 기구로도 사용되고 있습니다. 석영유리는 전기적인 저항도(electrical resistivity)가 1016Ωcm로 일반 소다석회 유리(1012Ωcm) 보다 높을 뿐더러, 유전상수(dielectric constant)도 3.82로 일반 유리의 8에 비해 매우 낮습니다.

석영유리의 밀도는 약 2.20 g/cm3 정도이고, 영율 73,900 kg/mm2, 포아슨비 0.17, 압축강도 117,000 kg/cm2, 인장강도 510 kg/cm2, 모오스 경도 5.5 등으로 일반 유리 보다 우수한 강도를 갖고 있습니다. 또한 석영유리의 굴절률은 약 1.42 정도이며, 자외선 흡수단이 약 160nm 정도로 자외선 투과율이 높아 자외선 투과용 광학용 소재로 사용되고 있습니다.

리소그래피 공정이란 노광공정(진동에 매우 민감)이라고도 하며 설계한 회로패턴을 웨이퍼로 옮기는 기술입니다. 산화 공정을 마친 웨이퍼위에 감광액을 떨어트리고 고속으로 회전시켜 감광막을 도포합니다. 막이 형성된 웨이퍼를 노광장치에 고정한 후 패턴이 새겨진 마스크를 대고 (반도체 공정에서 노광은 빛을 선택적으로 조사) 자외선에 노출시키면 현상과정을 거쳐 감광막에 패턴이 형성됩니다. 

산화 공정이란?

고온(800~1200도)에서 산소나 수증기를 실리콘 웨이퍼 표면에 뿌려 실리콘 산화막(SiO2)을 형성 시키는 과정.

배선간의 간격이 미세하기 때문에 합선이 될 경우가 많기 때문에, 산화막은 이 웨이퍼 위에 그려질 배선끼리 합선되지 않도록 서로를 구분해 준다. 또한, 공정 시 발생하는 오염물질이나 화학물로 생선되는 불순물로부터 실리콘 표면을 보호해 준다.(건식:얆은 막, 습식:두꺼운 막 형성)

 

현상 과정이란?

현상(Develop) 공정은 웨이퍼에 현상액을 뿌려 가며 노광된 영역과 노광되지 않은 영역을 선택적으로 제거해 회로 패턴을 형성하는 공정

애칭공정은 식각공정이라고도 하며 웨이퍼에 그려진 회로 패턴을 정밀하게 완성하는 공정입니다. 노광공정을 거친 웨이퍼에서 불필요한 부분의 박막을 물리적 화학적 방법을 이용해 선택적으로 제거해 나감으로써 웨이퍼에 마스크와 동일한 패턴을 만들어냅니다. 

현상과 식각의 차이? 

현상 공정 과정과 식각 공정 과정의 차이

현상(Develop) 공정은 웨이퍼에 현상액을 뿌려 가며 노광된 영역과 노광되지 않은 영역을 선택적으로 제거해 회로 패턴을 형성하는 공정

이는 빛을 받은 부분과 받지 않은 부분으로 구별하여 받은 부분의 현상액이 날아 가서 웨이퍼 표면에 정밀한 회로 패턴을 찍는 역할을 한다. (밑 그림을 그리는 역할)

식각(Etching) 공정은 웨이퍼에 회로 패턴을 만들어 주기위해 화공약품(습식)이나 부식성 가스(건식)를 이용해 필요없는 부분을 선택적으로 없애는 공정

현상액이 남아 있는 부분을 남겨 둔 채 나머지 부분은 부식시킨다. 식각이 끝나면 감광액도 황산용액으로 제거 한다. (실제로 남아 있는 감광제(현상액)을 이용하여 패턴의 나머지 부분을 제거하는 과정)

<사진 출처 삼성반도체 이야기 : http://samsungsemiconstory.tistory.com/152>

확산 공정(이온주입)은 웨이퍼에 특성 불순물을 주입하여 반도체 소자형성을 위한 특정 영역을 만드는 것입니다.식각과정을 거쳐 만들어진 회로 패턴의 특정 부분에 이온형태의 불순물을 주입하여 전자소자의 영역을 만들어주고 가스관 화학반응을 통해 형성된 물질을 웨이퍼 표면에 증착함으로서 여러 가지 막을 형성하게 됩니다. 

가스관 화학반응을 통해 형성된 물질이란 ?

CVD 증착 방법을 의미합니다. 아래의 박막증착 공정와 이어집니다.

여러가지 막 ?

<사진 출처 삼성반도체 이야기 : http://samsungsemiconstory.tistory.com/172>

박막증착공정(얇고 균일하게 입히는 것이 관건 = 반도체의 품질)은 반도체 소자들을 상호연결시키고 그 표면을 증착하는 과정입니다. 우선, 웨이퍼 전체면에 금속막을 형성하고, 그 막을 가공하여 소자 간 배선패턴을 완성합니다. 이 후 웨이퍼 보호를 위해 실리콘 산화막 등의 절연막을 웨이퍼 전체막에 증착시키면 웨이퍼 가공이 완료됩니다. 

이 막은 회로들 간 전기적인 신호를 연결해 주는 금속막(전도)층과 내부 연결층을 전기적으로 분리하거나 오염원으로부터 차단시켜주는 절연막 층으로 구분합니다.

박막 증착공정 이란 ?

가스의 화학 반응 으로 형성된 입자들을 웨이퍼 표면에 수증기 형태로 쏘아(증착) 절연막 이나 전도성막을 형성 시킨다. = 화학적 반응 

물리적 기상증착방법(PVD)은 금속 박막의 증착에 주로 사용되며 화학반응이 수반되지는 않습니다.

화학적 기상증착방법(CVD)은 가스의 화학 반응으로 형성된 입자들을 외부 에너지가 부여된 수증기 형태로 쏘아 증착시키는 방법으로 도체, 부도체, 반도체의 박막증착에 모두 사용될 수 있는 기술입니다.

이러한 이유로 현재 반도체 공정에서는 화학적 기상증착방법(CVD)을 주로 사용하고 있습니다. 화학적 기상증착방법(CVD)은 사용하는 외부 에너지에 따라 열 CVD, 플라즈마 CVD, 광CVD 등으로 세분화 되는데요, 특히 플라즈마 CVD의 경우, 다른 CVD에 비해 저온에서 형성이 가능하고 두께 균일도를 조절할 수 있으며 대량 처리가 가능하다는 장점 덕분에 최근에 가장 많이 이용되고 있습니다.

▲ 금속막 형성

▲ 배선 패턴 완성

금속 배선 공정(Metal Interconnect)이란, 말 그대로 전기가 잘 통하는 금속의 성질을 이용합니다. 반도체의 회로패턴을 따라 전기길, 즉 금속선(Metal Line)을 이어 주는 과정을 금속 배선 공정이라고 합니다. 이는 사실상 화학 기상 증착(CVD) 이후에 진행됩니다.

implant : 주입된 이온이 있는 곳(?)

<사진 출처 삼성반도체 이야기 : http://www.samsungsemiconstory.com/183>

대표적인 반도체용 금속 배선 재료인 알루미늄(Al)은 실리콘 산화막(Silicon Dioxide)과 부착성도 좋고 가공성도 뛰어나다는 장점이 있습니다.

그러나, 알루미늄(Al)과 실리콘(Si)이 만나면 계면에서 섞이려는 성질이 있는데요, 이 때문에 실리콘으로 만들어진 반도체 웨이퍼의 경우, 알루미늄 배선 공정에서 접합면이 파괴되는 현상이 생길 수 있습니다. 이러한 현상을 방지하기 위해 두 접합면 사이 장벽(Barrier)에 해당하는 금속을 증착하는 과정이 더해지게 되는데, 이를 베리어 메탈(Barrier Metal)이라고 합니다. 이는 이중으로 박막을 형성해 접합면이 파괴되는 것을 막습니다.

이 후 알루미늄 배선은 증착을 통해 이루어지는데, 알루미늄 괴를 진공 챔버에 넣어 감압 하에서 끓이면 알루미늄이 입자상태로 진공 챔버 안이 가득 채워집니다. 이 때, 웨이퍼를 진공 챔버에 넣어 통과시키면 알루미늄의 입자가 박막을 형성해 부착되게 됩니다. 고진공 상태에서 알루미늄을 증기화하여 부착시키기 때문에 이 공정을 진공증착(evaporator)이라고 합니다. 근래에는 플라즈마를 이용한 물리적 기상 증착 방법 (sputtering)도 많이 사용하고 있습니다.

기본 소자와 금속 배선의 연결 부분을 접점(contact)이라고 하는데요, 접점의 크기가 작아서 좁은 hole 형상을 가지게 되면 좁은 공간을 금속으로 채우기가 어려워 집니다. 이럴 경우, 알루미늄 보다는 텅스텐을 많이 사용하는데요, 이 때 보다 균일하게 박막을 형성해 부착시키기 위해 진공증착 보다는 화학적 기상증착 방법(CVD)을 통해 금속 배선 공정이 이루어지게 됩니다.

 

▲ 웨이퍼 전체에 절연막 증착

위에서 이온주입 박막증착 금속배선 연결 부분의 순서와 내용을 다시 한번 정리해야 될 것 같습니다.

CNC공정은 세정과 화학적, 기계적 연마 2가지 공정으로 나뉘어 집니다. 세정공정은 반도체 제조공정 중 발생하는 각 종 오염원들을 화학용액을 사용하여 방지 또는 제거하는 것으로서 반도체의 전기적 물리적 특징을 형성시키는 과정이며, 화학적 기계적 연마 공정은 우수한 품질의 웨이퍼 양산을 위해 웨이퍼 표면을 기계적 화학적으로 평평하게 만드는 것입니다. 

패키징이란 웨이퍼의 다이를 낱개로 자르고 리드프레임 또는 서브스트레이트와 결합하여 완제품으로 조립하는 과정입니다. 

리드프레임 이란?

 Lead Frame은 반도체 IC를 구성하는 핵심부품으로서 반도체 Chip과 PCB 기판과의 전기신호를 전달하고, 외부의 습기,충격 등으로 부터 Chip을 보호하며,지지해 주는 골격 역할을 한다.

 

서브스트레이트 란?

 BGA,CSP,SIP 같은 반도체 패키지들에 대한 수요가 증가함에 따라 수반되는 회로기판에 수요도 증가한다. 회로 기판은 패키지에 장착되어 물리적 장치들의 기본 위치를 제공하고 전기적인 인터페이스를 제공하는 부품이다. 패키지 회로 기판에는 여러종류가 있지만 그 중 주류는 rigid 타입과 tape 형태가 있다. Rigid 회로 기판은 고정된 모양이지만 tape 기판은 얇고 유연성이 있다. 초창기 rigid 기판은 세라믹으로 만들어 졌었지만 현재는 유기 기판이 여러 패키지에서 점점 광범위하게 쓰이고 있다.

가공이 끝난 웨이퍼를 다이아몬드 톱으로 절단하고 절단된 다이를 서브스트레이트 위에 올리게 됩니다. 올려진 다이와 서브스트레이트를 동선으로 연결한 후 연결부의 보호를 위해 화학 수지로 밀봉하고 제품명등을 새기면 하나의 반도체 단품 칩으로 완성됩니다. 

 완성된 반도체는 높은 신뢰성과 정밀성을 확보하기 위하여 수차례의 엄격한 검사, 검증 과정을 거칩니다. 우선 기본적인 전기적 검사를 통하여 배선 연결의 불량을 찾아내고 잠재된 불량을 찾기 위하여 가혹한 환경 조건 하에서 패키지 검사 및 모듈 검사를 거쳐 완벽한 제품을 완성하게 됩니다. 이처럼 반도체는 수많은 공정과 끊임 없는 검증 과정을 통해 디지털의 핵심으로 태어나게 됩니다.