-생활속 다양한 반도체들은 어떠한 제조 공정들로 만들어질까.
우리 생활의 많은 부분에 반도체가 사용되고 있는 걸 알 수 있었습니다.
예를 들면 스마트폰, 컴퓨터와 노트북, 자동차, 의료기기등 반도체가 다양하게 사용되고 있습니다.
그래서 반도체는 어떻게 만들어지는지 궁금하여 반도체 제조공정에 대해 알아보려합니다. 반도체 제조공정은 무수한 공정들을 거치게 되는데요. 그중 반도체8대공정에 관하여 알아보는 시간을 가지려 합니다.
반도체8대공정중 1단계 웨이퍼공정과, 2단계 산화공정에 대하여 알아보겠습니다.
1.웨이퍼 공정
웨이퍼는 반도체 직접회로의 핵심재료입니다. 반도체 소자를 만들기 위해 사용하는 얇고 평평한 원형모양을 하고있죠.
웨이퍼를 만들기 위한 재료는 모래에서 추출한 실리콘을 주로 사용한다고 합니다. 실리콘을 재료로 사용하였을때 장점은 지구상에 풍부하게 존재하여 안정적인 재료 수급이 가능하고 독성이 없어 환경적으로도 우수하다는 평이 있습니다. 이러한 재료로 얇은 원형모양의 웨이퍼는 다음 제조공정들을 거쳐 만들어지게 되는데요.
첫번째로 잉곳(Ingot)을 만듭니다.
모래에서 추출한 실리콘을 반도체 재료로 사용하기 위해서는 순도를 높이는 정제 과정이 필요합니다. 실리콘 원료를 뜨거운 열로 녹여 고순도의 실리콘 용액을 만들고 이것을 결정 성장시켜 굳히는 건데요. 이렇게 만들어진 실리콘 기둥을 잉곳(Ingot)이라고 합니다.
수 나노미터(nm)의 미세한 공정을 다루는 반도체용 잉곳은 실리콘 잉곳 중에서도 초고순도의 잉곳을 사용합니다.
두번째로 얇은 웨이퍼를 만들기 위해 잉곳 절단작업이 있습니다.
둥근 팽이 모양의 잉곳을 원판형의 웨이퍼로 만들기 위해서는 다이아몬드 톱을 이용해 균일한 두께로 얇게 써는 작업이 필요합니다. 잉곳의 지름이 웨이퍼의 크기를 결정해 150mm(6인치), 200mm(8인치), 300mm(12인치) 등의 웨이퍼가 되는데요. 웨이퍼 두께가 많을수록 제조원가가 줄어들며, 지름이 클수록 한번에 생산할 수 있는 반도체 칩 수가 증가하기 때문에 웨이퍼의 두께와 크기는 점차 얇고 커지는 추세입니다.
-세번째 작업은 웨이퍼 표면 연마입니다.
절단된 웨이퍼는 가공을 거쳐 거울처럼 매끄럽게 만들어야 되는데요. 절단 직후의 웨이퍼는 표면에 흠집이 있고 거칠어 회로의 정밀도에 영항을 미칠 수 있기 때문입니다. 그래서 연마액과 연마 장비(Polishing machine)를 통해 웨이퍼 표면을 매끄럽게 갈아냅니다.
-마지막 작업으로 세척과 검사진행.
세척을 통해 표면이 깨끗하고 매끄러운 상태의 웨이퍼가 되었는지 검사를합니다. 이과정까지 마쳐야 우리가 생각하는 반짝반짝 빛나는 웨이퍼가 탄생하게 됩니다.
+ 추가로 이렇게 만들어진 웨이퍼 자체는 전기가 통하지않는 부도체 상태라고합니다. 실리콘이 전기가 통하지 않는 부도체이기에, 여기에 불순물을 첨가하여 전류가 흐를 수 있도록 반도체로 만드는 과정이 필요합니다.
2.산화 공정
산화공정에서는 웨이퍼 표면에 산화막(Si02)을 형성시키는 방법에 대해 알아보겠습니다.
연마 직후의 웨이퍼는 전기가 통하지 않는 순수 상태이기 때문에 반도체의 성질을 갖도록 웨이퍼 표면에 여러 가지 물질을 형성시킨 설계된 회로 모양대로 깎고, 다시 물질을 입혀 깎아 내는 작업의 반복이 필요합니다.
이 모든 공정의 기초 단계인 산화(0xidation)공정은 웨이퍼에 여러 가지 물질로 얇은 막을 증착하는 대표적인 방법으로, 고온(800~1,2000C)에서 산소나 수증기를 웨이퍼 표면에 뿌려 얇고 균일한 실리콘 산화막(Si02)을 형성시키는 과정입니다.
이때 형성되는 산화막은 공정 시 발생하는 오염물질이나 화학물질로 생성되는 불순물로부터 실리콘 표면을 보호하는 역할을 하는데요, 눈에 보이지 않는 미세한 불순물도 실리콘 표면에 침투하게 되면 비저항 혹은 전도율을 변화시키는 요인이 되어, 집적회로의 전기적 특성에 치명적인 영향을 미치게 됩니다.
이 때문에, 불순물 침투로부터 실리콘 표면을 보호하는 산화막의 역할은 매우 중요합니다.
또한, 산화막은 이온 주입법으로 주입된 불순물이 웨이퍼 표면에 도달하는 것을 막아 주는 든든한 보호막 역할을 하고, 웨이퍼 위에 그려지는 각 배선이 합선이 되지 않도록 구분해주는 절연막 역할을 하기도 합니다.
그렇다면, 이렇게 든든한 보호막 역할을 하는 산화막은 어떻게 형성되는 것일까요? 웨이퍼는 대기 중 혹은 화학물질 내에서 산소에 노출되면 산화막을 형성하게 되는데요, 이는 철(Fe)이 대기 중에 노출되면 산화되어 녹이 스는 것과 같은 이치입니다. 보통 산화막 형성에는 열산화, 전기 화학적 양극 처리, 플라즈마 보강 화학 기상 증착(PECVD) 등 여러 가지 방법이 있지만, 고온의 환경에서 웨이퍼에 산화막을 형성하는 열산화가 가장 보편적인 방법입니다.
열산화 방법은
건식(Dry)산화와 습식(Wet)산화로 나뉘게 되는데요.
-건식산화
건식산화는 순수한 산소(02)만을 이용하기 때문에 산화막 성장속도가 느려 주로 얇은 막을 형성할 때 쓰입니다. 성장속도가 느릴 때 얇은 막을 형성하기 유리한 까닭은, 성장속도가 느릴수록 막의 두께를 조정(control)하기 쉽기 때문입니다. 쉽게 생각하면, 내가 세숫대야에 물을 아주 조금만 채우고 싶을 때, 수도곡지를 한번에 많이 열어 콜콜 붓기보다, 아주 조금만 열어 조금씩 떨어지게 하는 상황을 생각하면 쉽게 이해가 될 것입니다. 이렇게 얇은 막을 형성할 수 있는 건식 산화는 전기적 특성이 좋은 산화물을 만들 수 있습니다.
-습식산화
습식산화는 산소(02)와 함께 수증기(H20)를 사용하기 때문에 산화막 성장속도가 빠르고 두꺼운 막을 형성할 수 있지만, 건식 산화에 비해 산화층의 밀도가 낮습니다.
따라서 산화막의 질이 건식산화에 비해 비교적 안 증다는 단점이 있습니다. 동일한 온도와 시간에서 습식산화를 통해 얻어진 산화막은 건식산화를 사용한 것보다 약 5~10배 정도 더 두꺼운 경향을 보입니다.
이상으로, 다음 시간엔 반도체 제조과정중 또 다른 공정에 대해 알아보겠습니다.
감사합니다.