반도체 8대 공정 웨이퍼 공정, 산화 공정

이번 글은 반도체 집적회로의 제조공정에 대해서 알아보겠습니다.

공부 출처는 삼성 반도체이야기를 주로 참고했습니다.

먼저 집적회로(IC)는 하나의 기판에 트랜지스터, 저항, 콘덴서, 다이오드 등을 초소형으로 집적으로 회로를 구성한 칩을 말합니다. 

장점은 소형화, 가격 절감, 기능 확대가 있고 단점은 전압, 전류, 열에 약하다는 단점이 있습니다.

전압, 전류, 열 같은 경우 제품을 만들 때 중요하기 때문에 DataSheet를 보고 유의하여 살펴봐야합니다.

반도체의 공정은 크게 8가지로 구성되어 있어 8대공정이라 불립니다.

웨이퍼 공정 - 산화공정 - 포토공정 - 식각공정 - 박막공정 - 금속공정 - EDS 공정 - 패키지 공정

웨이퍼 공정

웨이퍼(Wafer)란?

웨이퍼란 반도체 소자 제조의 재료입니다. 실리콘(Si), 갈륨아세나이드(GaAs)등을 성장시켜 얻은 

단결정 기둥(잉곳, Ingot)을 얇게 썬 원판입니다.

이 원판은 집적회로를 새기기 위한 도화지라고 보시면 됩니다.

실리콘을 모래에서 추출한 다음 정제과정이 필요합니다. 그래서 실리콘을 녹인 후 정제하여 실리콘 용액을 만든 후에 

실리콘 기둥 즉 잉곳을 만듭니다.

실리콘을 녹이는 온도는 약 1400도이고 녹인 후 결정을 성장시키는 데에는 쵸크랄스키법(CZ,Czochralski) 성장법, 

플로팅 존(FZ,Float zone) 성장법을 주로 이용합니다. 

우선 잉곳의 양 끝을 절단한 후 원판형으로 자르기 위해 원통 바깥쪽의 울퉁불퉁한 부분을 잘라냅니다.

그 후 다이아몬드나 와이어로 얇게 썰어내 웨이퍼를 만들어 냅니다.

그리고 원하는 두께로 깎아내는 래핑(Lapping), 모서리를 깎아내는 엣지 그라인딩 , 연마(Polishing)과정이 있습니다.

연마 과정은 깎아낸 웨이퍼 표면에 흠이 많고 거칠어서 IC으로 바로 사용할 수 없기 때문에 합니다.

그리고 이 웨이퍼의 크기가 크면 클수록 한 번에 생산할 수 있는 IC칩수가 증가합니다. 

산화공정

산화공정은 웨이퍼 표면을 보호하기 위해 웨이퍼 표면에 산화막(SiO2)을 형성하는 과정입니다.

순수한 실리콘 웨이퍼는 부도체이기 때문에 불순물을 주입하여 반도체의 성질을 갖게 해야합니다.

산화막은 원하지 않는 불순물의 침입을 막게 해줍니다.

이 산화막은 오염물질이나 불순물로부터 웨이퍼 표면을 보호해줍니다. 

오염물질이나 불순물이 실리콘에 침투하게 되면 비저항, 전도율, 전기적 특성이 변화하여 산화막은 중요한 역할을 합니다.

이런 산화막이 형성되는 두께에는 도핑농도, 압력, 시간, 온도와 같은 여러 변수가 적용됩니다.

산화막을 형성하기 전에 표면 불순물을 제거하는 Wafer Cleaning 과정이 있습니다.

일반적으로 산화막은 약 1000도에서 수증기나 산소와 같은 산화제를 웨이퍼 표면에 뿌려 형성합니다.

산소를 산화제로 쓰는 경우 건식 산화(Dry oxidation) 수증기를 산화제로 쓰는 경우 습식 산화(Wet oxidation)으로 분류합니다.

건식 산화는 습식 산화보다 속도는 느리지만 산화막의 질이 좋다는 장점이 있습니다. 

건식 산화는 산화막을 얇게 만들 때 주로 사용합니다. 

습식 산화는 속도가 빠르고 산소와 수증기 모두 사용하므로 두꺼운 산화막을 만들 때 주로 사용합니다.