Day 6, 반도체공정

 

반도체 8대 공정

💡 웨이퍼 제조

• 웨이퍼 : 반도체 집적회로 만드는데 사용하는 주재료
  1. 잉곳 만들기 : 실리콘 녹여서 용액으로 만들고 결정 성장시켜 굳힘 👉 실리콘 기둥(잉곳)
  2. 잉곳 절단하기 : 다이아몬드 톱 이용해 균일한 두께로 얇게 썰기 / 두께 얇고 지름 클수록 좋음
  3. 웨이퍼 표면 연마하기 : 연마액과 연마장비 이용해서 표면 매끄럽게
  4. 세척과 검사

💡 산화공정

• 웨이퍼 표면에 실리콘 산화막 형성해 트랜지스터 기초 만드는 공정
  • 산화막 : 웨이퍼의 보호막과 절연막 역할
  • 산화공정 방법 : 열산화, 플라즈마 보강 화학적 기상 증착, 전기 화학적 양극 처리
    • 열산화 방법 : 건식산화 | 습식산화(성장속도 빠르고 두꺼운 막, 산화층 밀도 낮음)

💡 포토공정 (Photo)

• 설계된 회로를 웨이퍼 위에 그리는 공정
  1. PR 도포 : 웨이퍼 표면에 빛에 반응하는 물질(PR_감광액)을 도포
     • 코팅막 두께 균일하게 하기 위해 회전하며 도포
  2. 노광 : 유리판으로 된 레티클(마스크)을 사용하여 웨이퍼에 패터닝 형성
     
     • 회로 패턴이 담긴 레티클(마스크) 위로 빛을 통과시켜 웨이퍼에 회로 찍어냄
     • 투영된 빛을 4분의 1 축소된 형태로 웨이퍼에 일정하게 반복적으로 새김
     • ⭐ 집적도(1개의 반도체 칩에 구성되어 있는 소자 수)를 높이는 것이 반도체 기술의 핵심
     • 집적도를 높이려면 미세 패턴 필요
     • EUV 스캐너를 사용하여 반도체 칩에 극도로 미세한 회로를 새길 수 있음
  3. 현상
     • 현상액을 골고루 뿌려서 필요한 회로 패턴만 남김
  4. 패터닝 검사
     • 패턴 잘 그려졌는지 검사

💡 식각공정 (Etch)

• 웨이퍼 위에 패턴을 만드는 공정 (회로 패턴 외에 불필요한 부분을 제거하는 과정)
  • 식각방식 : 건식식각, 습식식각
    • 설계된 패턴 그대로 균일하게 똑바로 깎아내야 웨이퍼 위에 원하는 모양의 회로 만들 수 있음
    • 삼성은 미세한 패터닝을 위해 건식식각만 사용
  • 깊게 파내기 위해 플라즈마(제4의 물질 상태) 활용
    • 이온이 서로 당겨주는 성질을 이용하여 웨이퍼에 충돌하며 물리적으로 깎임
  • ⭐ 깊게 파내는 것이 기술의 핵심
  • 균일한 속도로 원하는 깊이, 모양, 크기 정확한지 계측

💡 증착 공정

• 원료 물질 기화시킨 후 반도체 위에 열과 플라즈마로 반응시켜 Thin Film(박막) 형태로 증착하는 공정
  • CVD 공정 설명
    • 대표적인 CVD 박막 : 산화규소막
    • 전류가 새지 않도록 빈 공간 사이에 절연막 쌓는 등 용도 다양
    • ⭐ 얇고 균일하고 불순물 없는 것이 중요
  • 메탈공정 | CVD공정 | 디퓨전공정
    • 메탈공정 : 전기 통하는 도체 박막
    • CVD공정 : 전기가 통하지 않는 부도체 박막, 낱장으로 증착, 플라즈마 활용(높은 에너지 갖고 있음)
    • 디퓨전공정 : 대량으로 증착
  • CVD 공정 용도
    • Gap Fill : 패턴을 채우거나 보호막을 씌우는 기술
      • 입구에는 증착이 안되게, 안쪽에는 박막 증착되게
    • MOLD : 성질이 다른 막을 반복해서 쌓아 주요 소자의 틀을 만드는 기술
    • ALD : 원자 단위로 얇은 막질을 형성하는 기술
    • ACL : 원하는 회로 패턴을 만들기 위한 하드마스크를 제작하는 기술
  • CVD와 Diffusion 차이점
    • CVD : 웨이퍼 한 장씩 증착하는 Single 타입 설비
    • Diffusion : 웨이퍼 한 번에 100장 이상 증착할 수 있는 Batch 타입 설비 사용

💡 이온주입 공정 (IMP)

• 부도체인 웨이퍼에 이온을 주입해 전기적 특성을 띠게 하는 과정
  • 이온 3종류
    • 아세닉(As) : N형 반도체 성질
    • 포스핀(P) : N형 반도체 성질
    • 보론(B) : P형 반도체 성질
  • ⭐ 정확한 양의 이온을 정확한 곳에 주입하는 것이 핵심
  • 이온 빔 방식
    • 이온을 빔 형태로 띄워서 쏴주기 때문에 원하는 위치로 정확하게 들어올 수 있음
    • 이온소스부(이온 형성) 👉 마그넷(원하는 이온 추출) 👉 빔 가속기(이온 가속) 👉 수평의 형태로 빔이 웨이퍼 도달
  • 주입된 이온이 안정되도록 재배열해주는 열처리 과정까지 진행되어야 함
  • Beam Current : 현재 지나가는 이온의 양 확인

💡 금속배선 공정

• 반도체의 회로 패턴을 따라서 전기가 흐를 수 있도록 금속 배선을 만드는 과정
  • 메탈공정의 금속재료 필요조건 : 텅스텐, 알루미늄, 구리
    1. 부착성
    2. 낮은 저항
    3. 열적, 화학적 안전성
    4. 패터닝 용이
    5. 적합한 가격
  • 메탈공정 방식
    • 물리적 방식 : PVD(메탈 원자가 금속판에 물리적으로 부딪히면서 깎인 금속이 웨이퍼에 증착됨)
    • 화학적 방식 : CVD(동시에 여러 가스를 쏴서 화학적으로 반응시켜 웨이퍼에 증착), ALD(동시가 아니라 가스를 순차적으로 반응시켜 증착)
  • ⭐ Step Coverage가 좋게 증착하는 것이 중요
    • Step Coverage : 패턴 내부에 메탈을 균일하게 증착시키는 것
  • Barrier Metal : 일부 금속과 다른 층 사이의 얇은 금속층으로 접착성을 높이고 접합면 파괴를 방지함
    • 산화막 위에 메탈만 증착시키면 메탈이 하부로 들어가서 침투하거나 접착성이 좋지 않음
    • 따라서 산화막과 메인 메탈 사이에 베리어 메탈 증착

💡 EDS 공정

• 전기적 특성검사를 통해 개별 칩들이 원하는 품질 수준에 도달했는지 확인하는 공정
  • 목적
    • 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 패키징공정 및 테스트 작업의 효율 향상
  • EDS 공정 4단계
    1. ET Test & WBI : 전기적 테스트
    2. Hot/Cold Test : 특정 온도에서 정상적으로 동작하는지
    3. Repair/Final Test : 수선 가능한 칩 수선 후 양품/불량 최종 판단
    4. Inking : 불량 칩을 육안 식별 가능하게 특수 잉크로 표시

💡 패키징 공정

• 반도체를 외부환경으로부터 보호하고, 전기적으로 연결
  1. 웨이퍼 절단 : 웨이퍼를 낱개의 칩으로 분리 (다이아몬드 톱이나 레이저 광선 이용해 절단)
  2. 칩 접착(Die attach) : 절단된 칩은 리드프레임(칩의 지지대 역할) 또는 PCB 위에 옮겨짐
  3. 금선 연결
     • Wire Bonding : 반도체 칩의 접점과 기판의 접점을 가는 금선 사용하여 연결
     • Flip Chip : 반도체 속도 향상시키기 위해 회로와 기판을 볼 형태의 범프로 연결하는 패키징 방식
  4. 성형(Molding) 공정 : 원하는 형태의 패키지로 만드는 공정
  5. Package Test : 우리가 아는 모습의 반도체 Final Test (전기신호, 온도, 습도)

 

 

참조. [삼성전자 반도체뉴스룸 유튜브 _ 인생맛칩]
(https://www.youtube.com/watch?v=52TnzJIxhjk)