반도체공정은 크게 전공정, 후공정으로 나뉩니다. 우리가흔히 말하는 반도체의 8대공정은 전공정에 해당하는 부분인데요, 시간이 난다면 후공정에 대해서도 자세히 정리하는 글을 써보도록 하겠습니다. 이해를 돕기위해서 이미지를 제작해봤는데 도움이 되셨으면 좋겠네요

웨이퍼란?

그렇다면 웨이퍼가 뭔지에 대해서 알아보도록 하겠습니다. 웨이퍼는 IC를 제조하는데 있어서 꼭 필요로하는 실리콘으로 만들어진 얇은 판을 말합니다. 공정에 대한 이해를 돕기위해서 첨부한 이미지는 원모양이 아니지만 실제로는 얇은 원판의 모양입니다. 아래 사진을 참고하시면 좋을 것 같네요 그렇다면 웨이퍼를 왜 Si로 만들까요?. Si로 웨이퍼를 만드는 이유는 재료가 풍부하고 안정적인 산화막을 형성할 수 있기 때문입니다. 

PN JUNCTION

반도체를 처음공부하면서 배우는 내용으로는 PN접합 다이오드가 있는데 P형반도체와 N형반도체에 대해서는 물리시간에 한번쯤 들어보셨을 꺼라고 생각이됩니다. PN접합을 하게되면 사이에 공핍층이 생기게되는데 순방향전압을 걸어주었을때 공핍층이 줄어들고 역방향전압을 걸어주었을때 공핌층이 줄어드는 원리를 알 수 있었습니다.

MOSFET

MOSFET은 금속, 산화막, 반도체를 이용한 트랜지스터를 의미합니다. Gate, Source, Drain으로 구성되어있으며 Gate의 전압변화를 통해서 Source와 Drain사이의 전류 흐름을 제어할 수 있습니다. 그리고 전류가 흐를때 Source와 Drain사이에 Cahnnel이 형성되게 됩니다.

이제 반도체 제조공정에 대해서 설명하기 위해서 웨이퍼가 이런식으로 있다고 가정해보겠습니다.

산화공정

가장먼저 소개할 공정은 산화공정입니다. 산화막은 불순물 주입공정 증에서 불순물이 들어가지 않아야 할곳에 마스킹 역할을하는 기능을 수행합니다. 이외에도 소자분리, Gate 절연막 등의 역할이 있습니다. 

박막증착공정

산화공정이 나온김에 박막증착공정에 대해서 얘기를 해보자면 박막증착은 말그대로 웨이퍼위에 원하는 물질의 매우 얇은 층을 쌓는 공정입니다. 대표적으로는 화학적 증기 증착법인 CVD, 물리적 기상 증착법인 PVD, 원자층 증착법인 ALD가 있습니다. 순서대로 설명을 해보면 

CVD의 경우는 화학반응을 통해서 박막을 형성하는 방식인데 증기가스를 챔버에 유입시켜 열, 플라즈마, 레이저, 광자등을 통해서 반응시켜 박막을 입히는 방식입니다. CVD의 종류로는 LP CVD, PE CVD, APCVD, HDP CVD방식이 있으며 각자 방식에 대한 장단점이 있습니다.

PVD는 물리적인 방식을 이용해서 박막을 증착시키는데 주로 금속을 증착시키는데 사용하는 방식입니다. 대표적으로는 플라즈마를 이용하는 Sputtering방식과 열을 통해 증착물질을 증발시키고 웨이퍼에 증착시키는 Thermal Evaporation이 있습니다.

마지막으로 ALD는 원자층 증착방식을 이용해 매우 얇은 막을 쌓을 수 있는 방식입니다. 원하는 원자층을 한번에 한겹씩 쌓는 방식이다보니 회로가 미세해짐에따라서 주목받고있는 공정입니다. 높은 Aspect Ratio와 우수한 Step Coverage를 보여준다는 특징이 있습니다. 박막증착에 대해서 배우면서 Step Coverage에 대한 개념이 나왔는데 이는 물질을 증착시켰을 박막 두께차이의 비를 나타낸것을 의미합니다. Step Coverage가 우수할수록 벽면에 균일하게 증착이 되었음을 나타내니까 그만큼 박막증착에 있어서 중요한 개념이 되겠습니다.

노광공정

Photo Lithography 노광공정입니다. Photo 공정은 반도체 공정중 매우 중요하고 까다로운 공정으로 손꼽히는 공정중 하나인데요 photo 공정을 위해서는 먼저 웨이퍼에 PR을 코팅해야하고 Spin Coating 방식을 많이 사용한다고 합니다. 여기서 말하는 PR은 특정파장의 빛에 의해서 분자구조가 바뀌어 용해도가 변하는 물질을 말합니다. 

노광공정에서는 빛을 웨이퍼에 Exposure 시키는데 있어서 렌즈가 얼마나 넓은지를 나타내는 NA, 최소선폭 CD, 초점심도인 DOF와 같은 개념들이 있습니다. 집적도를 높이기 위해서는 CD를 줄이는 방법이 있는데 이를 위해서 파장이 짧은 광원을 사용하기위해서 EUV등의 광원이 필요하고 , 초점심도인 DOF가 높을수록 공정에 유리하다고합니다.

하지만 집적도를 높히기 위해서 파장을 바꾸는 것 뿐만아니라 멀티패터닝 방식을 이용해서 직접도를 높히는 방식또한 굉장히 중요한 방법중 하나입니다. 노광과 식각을 두번진행하는 LELE방식이나 여러번의 식각과 증착, 한번의 노광을 거쳐서 패턴을 형성하는 SADP, SATP방식이 있었습니다. 

앞에서 말한 PR의 성질을 이용해서 우리가 특정파장의 빛을 노광하고 Develop해주면 Mask의 모양에 따라 원하는 부분을 사진처럼 제거할 수 있습니다. 

식각공정

식각공정은 Etching이라고도 흔히 부르는데 웨이퍼에 불필요한 부분을 선택적으로 제거할 수 있는 공정을 의미합니다. Etching방법에는 크게 Wet Etching과 Dry Etching으로 나뉘게되는데 Wet Etching의 경우는 식각속도가 빠르고 선택비가 우수하지만 등방성으로 식각결과가 나오기 때문에 건식식각에 비해서 정확성이 낮고 Etchant를 사용하므로 오염문제가 발생할 수 있습니다. Dry Etching의 경우는 플라즈마를 사용하는 방식으로 가속된 이온들이 피식각물질에 부딪혀 물리적으로 떼어내는 Physical Sputtering, 플라즈마내의 Radical을 통해서 화학반응을 일으키는 Vapor Phase Etching, 화학적 물리적반응을 결합한 Reactive Ion Etching이 있습니다.

사진과같이 PR이 가리고 있는 부분을 제외하고 Etching이 진행됩니다. 

최종적으로 PR Strip을 진행하면 사진과같이 산화막만 남게됩니다. 이러한 과정을 계속 반복해서 웨이퍼에 쌓아가는 원리입니다.

이온주입공정

이온 주입 공정의 역할은 소자의 전기적특성을 조절하고 , 웨이퍼내로 불순물을 주입, 고직접화 고밀도화 소자의 불순물을 제어하는 역할을 합니다. 확산과 이온 주입을 비교하면 확산의 경우는 웨이퍼손상이 적고 일관처리가 가능하지만 농도와 깊이 제어가 어렵다는 단점이 있습니다. 하지만 이온임플란트의 경우는 정확한 도핑량과 깊이 제어가 가능하며, 비등방성 이온주입이 가능합니다. 하지만 이온주입후 표면이 손상되고 채널링 현상이 발생한다는 특징이 있습니다. 이렇게 이온임플란트가 진행되면 표면이 불안정적이기 때문에 분자구조의 안정화, 불필요한불순물을 확산방지하기 위해서 열처리(Annealing)을 진행하게됩니다.

Cleaning 공정은 미립자, 유기금속, 자연산화물과 같은 웨이퍼 표면의 오염물질을 제거하는 것을 의미합니다. 클리닝은 공정이 진행되는 사이사이에 진행해야하는 과정으로 웨이퍼의 수율은 웨이퍼상의 결함 밀도와 반비례한다고합니다. 대표적인 Cleaning Process로는 RCA Cleaning 방식이 있는데 과산화수소, 암모니아수, 물을 일정빙류로 혼합해 유기물질을 제거하는 방식 등으로 이루어져 있습니다. 

금속배선공정

여기서 부터는 후공정에 해당하는데 대표적인 것만 잠깐 설명해보겠습니다. 금속배선공정은 지금까지 만들어온 반도체 회로에 금속을 연결해서 배선을 만들어주는 공정입니다. 이전에는 Al이 많이 사용되었짐나 최근에는 Cu를 이용하여 많이 사용하고 있다고합니다. 각각 금속마다 장단점이 있는데 Al 을 사용하면 Junction Spiking이 발생하거나 Electromigration이 발생할 수 있습니다. Cu의 경우는 Etching이 어렵다는 단점이있지만 CMP공정이 발달함에 따라 다마신공정이라는 방법을 이용해서 Cu를 이용해 금속배선을 할 수 있다고합니다.

CMP공정

그렇다면 CMP공정은 무엇일까요? CMP는 평탄화한다고 표현을 하기도하는데 기계적 또는 화학적 연마를 통해서 웨이퍼상의 웨이퍼의 표면을 평탄화하는 공정입니다. CMP공정의 주요 변수로는 평탄도, 균일성, 연마속도, Dishing & Erosion, Defect가 있습니다.