• 본 문서는 반도체 8대 공정 중 '산화공정', '포토공정', '식각공정', '증착&이온주입 공정' 4가지 공정을 집중해서 설명하는 문서입니다.
• 본 문서의 예상 독자는 전자공학과·컴퓨터공학과 학생들입니다.
• 올바르지 않은 내용은 언제든지 메일/댓글로 알려주시면 피드백 반영하겠습니다.

우리나라는 반도체 산업에서 최강국으로 명성을 떨치고 있습니다. 저마다 개인적인 이유가 있겠지만 여러분은 모두 국내 반도체 산업에서 종사하기를 희망하는 학생일 것입니다.

반도체는 인류가 2천 여년 간 쌓아온 모든 기술이 집약적으로 함축된 기술의 정수입니다. 그러다보니 배워야 하는 내용은 산더미고 복잡하고 어렵습니다. 진입장벽이 높기로 유명하죠. 이 글은 여러분이 느끼는 높은 심리적 진입장벽을 조금이나마 낮춰주기 위해, 그리고 저 자신도 다시 한 번 공부하기 위해 작성하는 글입니다. 제 목표는 여러분이 이렇게 생각하게끔 만드는 것입니다.

"와 별거 아니네"

그럼 반도체 공정에 대한 본격적인 내용을 시작하겠습니다.

1. 반도체 공정 개요

1.1. 반도체란?

• 반도체는 인가되는 전압의 특성에 따라 부도체 또는 도체 중 어느 한 쪽 특성을 띄게되는 물질을 말합니다.
• 주기율표에서 반도체의 특성을 띄는 물체가 바로 14족 원소입니다. 그 중에서도 일상에서 쉽게 구할 수 있는 Si(실리콘)와 Ge(게르마늄)이 반도체 산업에서 가장 잘 쓰이는 원소입니다.
• 반도체의 가장 큰 장점은 우리가 제어할 수 있는 부분이 많은 물질이라는 점입니다. 대표적으로는 반도체가 얼마나 전압에 예민하게 반응한지를 나타내는 척도인 '전기전도도'를 의도적으로 불순물을 일정량 주입해서 조절할 수 있습니다.
• 여기서 말하는 불순물은 '쓰레기'가 아닙니다. 최외각전자 4개를 갖고있어서 이미 안정된 상태에 있는 14족 원소들에 의도적으로 3족 또는 15족 이온원소를 넣어서 전기적으로 불안정한 상태로 만드는 것이 불순물 주입의 목적입니다. 그리고 이 과정을 저희는 도핑 (doping)이라고 부르고 주입된 불순물을 도펀트 (dophant)라고 부릅니다.

1.2. 8대 공정

• 반도체 공정은 크게 8가지 과정으로 이뤄집니다. 반도체 관련 직무를 희망하시는 분께서는 반드시 8대 공정에 대해 기초적인 상식은 갖춰야 한다고 생각합니다.
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• 각 공정은 수많은 연구자가 평생에 걸쳐서 연구하는 하나의 큰 연구분야입니다.
• 상단 그림의 우측에서 빨간 선으로 표시한 부분이 front-end 공정이고 그 이후 공정을 back-end 공정이라고 부릅니다.
• 깊게 팔수록 한도끝도 없이 어려워 지는게 반도체의 특성이니만큼 여러분은 목적에 맞도록 각 공정에 대해서 대략적인 수준으로 배웁시다.
• 주의할 점이 있습니다. 8대 공정은 우열을 가릴 것 없이 모두모두 중요합니다.
  그러나 배울 때는 front-end 공정에 초점을 맞춰서 배우게 됩니다. 기초적인 공정이 어떻게 돌아가는지를 알아야 하기 때문입니다.
• 하지만 현대 반도체 공정이 맞이한 문제점과 한계점을 해결할 수 있는 key는 back-end 공정, 특히 배선 공정과 패키징 공정에 있습니다. 이 점을 반드시 유념해주세요.

웨이퍼 제조

• 웨이퍼(wafer)는 실리콘(Si), 갈륨아세나이드(GaAs)을 성장시켜서 원기둥 모양으로 만든 것을 얇게 썰어서 만든 원판을 말합니다.
• 웨이퍼를 제조하는 공정은 다음 3가지 소공정으로 구성됩니다.
  1. 원기둥 모양의 잉곳(Ingot) 만들기
  2. 잉곳 얇게 썰어서 웨이퍼(wafer) 만들기
  3. 웨이퍼 표면 연마해서 평탄하게 만들기

산화 공정

• 만들어진 body (웨이퍼)에 트랜지스터의 기초를 만드는 공정입니다.
• MOS Transistor는 Metal(금속)-Oxide(산화막)-Silicon(실리콘)으로 구성되어 있습니다. 이 과정은 금속과 실리콘 사이에 절연체인 산화막을 형성하는 과정입니다.

포토 공정

• 웨이퍼 표면의 원하는 위치에 포토 마스크 (Mask)를 이용해서 포토레지스터 (Photoresistor, PR)를 증착시켜서 원하는 회로 패턴을 만드는 공정입니다.
• 원하는 영역을 제외하고 PR막이 형성된 웨이퍼에 stepper (스탭퍼)라는 노광장비를 이용해서 빛을 쪼여서 PR막이 선택적으로 녹아 내려서 원하는 패턴을 만들 수 있습니다.

식각 공정

• 주어진 스펙에 알맞는 반도체를 만들기 위해서는 구조부터 달라야 합니다. 원하는 구조를 형성하는 패턴을 만드는 과정입니다.

증착&이온주입 공정

• 반도체 공정에서 중간중간 증착 과정이 들어갑니다. 서로 다른 특성의 금속/산화막을 접촉 시키기 전에 두 물질을 구분해주기 위해 얇은 박막을 만들게 됩니다.
• 앞서 말씀드렸던 doping 과정을 이온주입 공정에서 수행합니다. 크게 확산(diffusion)을 이용한 방법과 주입(implantation)을 이용한 방법이 있습니다.

금속배선 공정

• 여기서부터는 back-end 공정입니다. 이제 기초적인 반도체 구조가 완성됐으니 반도체에 전기신호를 인가해주기 위한 금속 배선을 깔아줍니다.
• hole, via, PMD, IMD 등 용어를 배우게 됩니다.

EDS 공정

• 전기적 특성검사를 통해 개별 칩들이 원하는 품질 수준에 도달했는지를 확인하는 공정입니다.

패키징 공정

• Pad라는 이름의 외부와 신호를 주고 받을 수 있는 길을 만들고 passivation 과정을 거쳐서 외부환경으로부터 안전하게 보호받는 형태로 만드는 과정입니다.

반도체 8대 공정에 대한 대략적인 개요를 배워봤습니다.
다음 포스트에서는 반도체 8대 공정에 대해 배우기 전 기초적인 MOSFET에 대한 지식을 쌓는 시간을 가지겠습니다. 감사합니다!