반도체 8대 제조 공정

삼성전자에서는 반도체 제조 공정을 아래와 8단계로 구분해 놓았다.

반도체 8대 제조공정

이를 조금 더 세분화해서 나타내면 아래와 같다.

1. 웨이퍼 제조

1) 잉곳(Ingot) 만들기

모래에서 추출한 실리콘은 반도체 원료로 쓰이기 위해 정제과정이 필요합니다. 그래서, 실리콘을 뜨거운 열로 녹여 고순도의 실리콘 용액을 만들고 이것으로 단결정 실리콘 기둥, 즉 잉곳(Ingot)으로 만듬

 

2) 얇은 웨이퍼 만들기, 잉곳 절단(Wafer Slicing)

얇은 웨이퍼를 만들기 위해서는 잘라야 합니다. 단결정 실리콘(seed)과 잉곳(Ingot)의 말단을 제거하고, 식힌 잉곳(Ingot)을 다이아몬드 톱을 이용해 균일한 두께로 얇게 절단하면 바로 '웨이퍼'가 됩니다. 

따라서 웨이퍼의 크기는 잉곳(Ingot)의 지름이 결정하는데요, 반도체 산업 초기에는 직경이 3인치에 불가할 정도로 작았습니다. 하지만, 웨이퍼가 클수록 한 번에 생산할 수 있는 IC칩 수가 증가하기 때문에, 웨이퍼의 크기가 점점 커지는 추세입니다.

    

 

3) 거울처럼 반짝이게, 웨이퍼 표면 연마(Lapping& Polishing)

절단 직후의 웨이퍼는 표면에 흠결이 있고 매우 거칠어 사용할 수가 없는데요, 연마액과 연마 장비(Polishing machine)를 이용해 웨이퍼의 표면을 거울처럼 반짝이게 갈아 냅니다. 이는 광 노광 공정 시, 소자를 형성시킬 수 있도록 매끄러운 표면을 만드는 것입니다.

 

*SK실트론 웨이퍼 제조영상: https://www.youtube.com/watch?v=ad-fZDchlo0

 

2.산화공정

웨이퍼를 외부의 오염물질로부터 보호하기 위해서 웨이퍼 표면에 산소 또는 수증기를 웨이퍼 표면에 뿌려넣고 절연막 역할을 하는 산화막(SiO2)을 형성 한다. 산화막은 회로 사이에 누설전류가 흐르는 것을 차단하고, 식각공정 상에서 필요한 부분이 잘못 식각되는 것을 방지한다. 1,000℃ 이상의 고온에서 얇고 균일 한 실리콘 산화막을 형성시키는 열산화 방식이 주로 사용되며, 건식 및 습식 산화 방식이 있다.

 

3.포토공정

산화막이 생성된 웨이퍼에 회로 패턴이 설계 되어있는 포토마스크를 이용하여 회로를 형성하는 포토 공정은 감광액 도포, 노광, 현상 등 세부 공정으로 구분된다. 고 품질의 미세한 회로 패턴을 얻기 위해서 웨이퍼 표면에 빛에 민감한 물질인 감광액(PR, Photo Resist)을 얇고 균일하게 도포하여 빛에 대한 감도를 높이는 것이 중요하다. 감광막을 형성해서 웨이퍼를 사진의 인화지와 유사한 상태로 만든 후 회로 패턴이 담긴 포토마스크에 빛을 통과시키고, 렌즈를 통해 웨이퍼의 다이(집적회로 칩)에 적합하도록 회로 크기를 축소해서 웨이퍼 상에 형성하는 노광공정을 진행한다. 그 다음, 웨이퍼에 현상액을 투여해서 노광된 영역과 노광 되지 않은 영역을 선택적으로 제거해 마스크에 설계하였던 회로 패턴을 웨이퍼 상에 현상한다. 참고로, 감광액은 빛에 어떻게 반응하는가에 따라 양성(positive) 혹은 음성 (negative)으로 분류되며, 양성 감광액의 경우 노광된 영역이 사라지고, 음성 감광액의 경우 노광된 영역만 남는다.

 

 

  

 

4.식각공정(Etching)

회로 패턴을 웨이퍼에 새겼으면, 화학물질 액체 또는 기체를 통해 필요 없는 부분을 제거하는 공정을 진행한다. 가스로 식각하는 건식 방식은 습식 방식에 비해 기술적으로 난이도가 높고, 제조 공정 상에서 단가가 상대적으로 많이 투입되지만, 회로의 선폭이 나노 단위로 얇아지면서 수율을 높이기 위한 방법으로 주목받고 있다. 식각 공정시 일정한 시간 동안 웨이퍼 상의 여러 지점에서 식각 속도가 균일 하게 이루어져야 특정 부위에 위치한 칩의 불량률을 최소화할 수 있음에 따라 균 일도 및 식각 속도 등을 정밀하게 관리하는 것이 매우 중요하다. PR이 도포된 부위는 식각되지 않으며 식각 공정이후 감광액은 제거한 다.

 

5.박막공정(증착공정)(+이온주입)

반도체에 필요한 전기적 특성을 갖추기 위해 웨이퍼 위에 박막을 형성하며, 박막을 만드는 증착 공정은 물리적 기상증착방법(PVD, Physical Vapor Deposition)과 화학적 기상증착방법(CVD, Chemical Vapor Deposition) 등이 있다. 이 중에서 두께 균일도를 조절할 수 있으며 대량 처리가 가능한 플라즈마 CVD 방식이 주로 사용되고 있다. 박막은 크게 회로 간의 전기적인 신호를 연결해주는 금속막(전도) 층과 내부 연결층을 전기적으로 분리하거나 외부 오염 물질로부터 차단시키는 절 연막층으로 구분된다. 그리고 박막 공정 시 미세한 가스 입자인 이온(인(P), 비소 (As), 붕소(B))을 주입해서 반도체가 전도성을 갖도록 이온주입공정을 수행한다.

 

6.금속배선공정(Metal interconnect)

일반적으로 반도체를 구동시키기 위해 외부에서 전기적 신호를 인가해주어야 하며, 전기신호가 원활하게 흐르도록 반도체 회로 패턴을 따라 금속선을 형성하는 작업을 한다. 고온과 화학적인 반응에서도 금속 고유 특성이 변하지 않는 알루미늄 (Al), 티타늄(Ti), 텅스텐(W) 등이 주로 사용되고, 미세한 반도체 회로에 형성되 어야 하므로 기상증착방법을 사용해서 금속배선공정을 진행한다.

2번 산화공정에서 6번 금속배선 공정을 수백번 반복하며 반도체를 쌓아올림, 이를 전공정이라 함

※하이닉스 반복과정영상 https://youtu.be/AcDn4bvW5IU

※인텔 반복과정영상 https://youtu.be/d9SWNLZvA8g

7. EDS공정

EDS공정(Electrical Die Sorting)은 전기적 특성검사를 통해 개별 칩들이 원하는 품질 수준에 도달했는지를 확인하는 공정으로써 웨이퍼 상태에서 FAB 공정과 최종적인 제품의 형태를 갖추는 패키지 공정 사이에 진행됩니다.

1)EDS공정의 목적

Ÿ   웨이퍼 상태 반도체 칩의 양품/불량품 선별

Ÿ   불량 칩 중 수선 가능한 칩의 양품화

Ÿ   FAB 공정 또는 설계에서 발견된 문제점의 수정

Ÿ   불량 칩을 미리 선별해 이후 진행되는 패키징공정 및 테스트 작업의 효율 향상

먼저 전기적 특성검사를 통해 각각의 칩들이 원하는 품질 수준에 도달하는지 체크합니다. 그 후 양품 가능 여부를 판단해 수선(Repair) 가능한 칩은 다시 양품으로 만들고, 불가능한 칩은 특정 표시(Inking)를 통해 불량으로 판정합니다. 불량으로 판정된 칩은 이후 공정에서 제외되어 효율을 높일 수 있습니다.

EDS공정은 프로브 카드(Probe Card)에 웨이퍼를 접촉시켜 진행됩니다. 프로브 카드에 있는 수많은 미세한 핀(Pin)이 웨이퍼와 접촉해 전기를 보내고 그 신호를 통해 불량 칩을 선별하게 됩니다.

 

2)EDS공정의 4단계

EDS공정은 세분화된 여러 단계가 있지만, 크게 4단계로 나눌 수 있습니다.

 

1단계 - ET Test & WBI(Electrical Test & Wafer Burn In)

ET Test(Electrical Test)는 반도체 집적회로(IC) 동작에 필요한 개별소자들(트랜지스터, 저항, 캐패시터, 다이오드)에 대해 전기적 직류전압, 전류특성의 파라미터를 테스트하여 동작 여부를 판별하는 과정입니다. 반도체 칩(Chip)으로 행하는 첫 테스트라고 볼 수 있습니다.

 

이어지는 WBI공정(Wafer Burn In)은 웨이퍼에 일정 온도의 열을 가한 다음 AC(교류)/DC(직류) 전압을 가해 제품의 결합, 약한 부분 등 잠재적인 불량 요인을 찾아냅니다. 제품의 신뢰성을 효과적으로 향상시키는 공정입니다.

 

2단계 - Hot/Cold Test

Hot/Cold 공정에서는 전기적 신호를 통해 웨이퍼 상의 각각의 칩 중 불량품이 있는지 판정합니다. 수선 가능한 칩은 수선 공정에서 처리하도록 정보를 저장하는데요. 이때, 특정 온도에서 정상적으로 동작하는지 판별하기 위해 상온보다 높고 낮은 온도의 테스트가 병행됩니다.

 

3단계 - Repair / Final Test

Repair 공정은 EDS공정에서 가장 중요한 단계인데요. 

Repair공정에서는 Hot/Cold 공정에서 수선 가능으로 판정된 칩들을 수선하고, 수선이 끝나면 Final Test 공정을 통해 수선이 제대로 이루어졌는지 재차 검증하여 양/불량을 최종 판단합니다

 

4단계 - Inking

Inking 공정은 불량 칩에 특수 잉크를 찍어 육안으로도 불량을 식별할 수 있도록 만드는 공정을 의미합니다. Hot/Cold Test공정에서 불량으로 판정된 칩, Final Test공정에서 재검증 결과 불량으로 처리된 칩, 그리고 웨이퍼에서 완성되지 않은 반도체 칩(Dummy Die) 등을 구별하는데요. 과거의 Inking 공정은 불량 칩에 직접 잉크를 찍었으나 현재는 Data만으로 양/불량을 판별할 수 있도록 처리하고 있습니다. 이렇게 처리된 불량 칩은 조립 작업을 진행하지 않기 때문에 조립 및 검사 공정에서 사용되는 원부자재, 설비, 시간, 인원 등의 손실 절감 효과가 있습니다. 

 

Inking공정을 마친 웨이퍼는 건조(Bake)된 후, QC(Quality Control) 검사를 거쳐 조립공정으로 옮겨지게 됩니다. 

 

8.패키징 공정

EDS 공정을 통해 양품으로 판별된 웨이퍼 상의 반도체 칩은 절단공정을 통해 낱개로 분리되며, 반도체 칩과 외부 회로 간 전기신호를 전달할 수 있는 PCB(Printed Circuit Board)에 칩을 접착한다. 칩과 PCB 의 전기적 연결을 위해 금선을 사용하여 와이어본딩을 하거나, 볼 형태의 범프(금 또는 솔더 재질)을 사용 해서 플립칩 방식을 통해 결합시킨다. 칩과 PCB의 연결공정이 완료되면 열, 습기 등의 물리적인 외부 환경 및 충격 등으로부터 반도체 칩을 보호하기 위해서 에폭시 수지를 이용해 패키징하는 과정을 수행한다. 패키징 공정이 완료된 반도체는 검 사장비를 통해 다양한 조건의 전기신호(전압, 전류 등), 온도, 습도 등을 적용하여 전기적 특성, 기능적 특성, 동작 속도 등을 측정하고 최종 양품을 판별한다.

※참고

SK 하이닉스 테스트 공정 설명

https://www.skcareersjournal.com/1203

삼성 반도체 이야기(반도체 8대공정)

https://www.samsungsemiconstory.com/2206

SK하이닉스 반도체 제조공정 영상

https://www.youtube.com/watch?v=_8HwIHyVD1E

Intel: The Making of a Chip with 22nm/3D Transistors | Intel

https://www.youtube.com/watch?v=d9SWNLZvA8g&list=PLeGGWcpbLof33AA2Anri4wpuYiCHI_MFA

반도체 공정 설명 영상

https://www.youtube.com/watch?v=ONXBN9zDVoQ