[반도체 전공정] (2) 반도체 공정 개괄과 산화

[반도체 전공정] (1) 컴퓨터, 트랜지스터의 탄생과 반도체

 

1. 반도체 공정 둘러보기

  우리는 지난 (1)편에서 MOSFET은 마치 붕어빵 찍어내듯 만들 수 있다는 것과 BJT와는 달리 납땜의 과정이 필요없다든 것을 확인하였다.

BJT(Bipolar Junction Transistorz)
: 양극성 집합 트랜지스터, 반도체 내부에서 P형 반도체와 N형 반도체의 두 영역 사이의 경계부분을 일컫는 PN 접합을 이용해 만든 트랜지스터를 의미한다.

 

 편의를 위해 반도체가 아닌 일반 전자 부품이 어떻게 만들어지는 지 살펴보면, 기판 위에 트랜지스터, 건전지, 축전지, 코일 등 다양한 단위 소자가 PCB 기판 위에 납땜되어 올라가있다. 쉽게 말하면 '소자 제조 -> 소자 연결'의 순서로 만들어진다.

PCB(Printed Circuit Board)
: 인쇄회로기판, 전자 회로를 하나의 판에 넣고 표면에 부품들을 납땜하는 것으로 대부분의 전자기기에 들어간 반도체 기판이다.

▲ 그림 1 : 기판 위에 납땜된 다양한 소자들. 과거 컴퓨터 CPU들도 위와 같이 만들어졌다.

 

 위와 같은 순서는 Si Wafer 위의 MOSFET에도 그대로 적용 된다. Wafer 가공의 첫 단계에서 해야할 일은 다양한 형태의 단위 소자를 만드는 것이다. 즉, Si Wafer 위에 각종 처리를 하여 필요한 개수의 소자를 새기는 것이다. 이러한 과정을 FEOL(Front End of the Line:  공장 내에서 하는 앞 단계)이라고 부른다. 그 이후에는 납땜에 해당하는 일을 하는데, 실제로는 납땜이 아닌 FEOL에서 사용한 것과 비슷한 기술을 이용해 매우 미세한 배선을 만들어 수십억 개의 단위소자들을 서로 연결한다. 이러한 과정을 BEOL(Back End Of the Line)이라고 부른다. 그리고 이 두 과정을 합쳐, 웨이퍼의 가공 과정인 '전공정'이라고 부른다.

 

 

반도체의 8대 공정 중 산화, 포토, 식각 등 다양한 공정들은 FEOL과 BEOL 과정에서 사용되는 수단으로, 각 단계의 목적에 따라 특정 장비를 사용하는 빈도와 횟수가 달라질 뿐이며 기본 목적은 미세한 패턴을 만들어 내는 것으로 동일하다.

 

 

 우리가 일반적으로 잘 알고있는 반도체의 8대 공정은 웨이퍼의 제조, 산화, 포토, 식각, 금속배선, 테스트, 패키징이다. 하지만, 엄밀하게 웨이퍼의 제조는 반도체 공장 내에서 일어나는 것이 아닌 다른 업체에서 만들어서 보내지는 경우가 대부분이다. 또한, 금속 배선, 패키징, 테스트의 경우 포토, 식각, 증착과 같은 단일 공정이 아닌 목적을 가진 특정 작업 전체를 아우르는 범주이다.

 

2. 차단막을 만드는 산화 공정

위의 그림에서 알 수 있듯이, 반도체 제조 공정은 맨 아래에서부터 시작하여 위를 향해 쌓아 올라가는 방식으로 진행된다. 이러한 과정은 단순히 '쌓아 올리기'만 하는 것이 아닌, 다양한 모양들을 반도체 내부에 균일하게 만들어내기 위해서는 필요하지 않은 부분은 깎거나 반대로 필요한 부분은 물질을 씌우는 등 다양한 작업을 해야한다. 이러한 작업에는 반응성이 높은 화학 물질이 사용되기 때문에 화학물질이 원치 않는 곳에 도달하게 된다면 반도체 공정이 제대로 이루어지지도 않는다. 또한, 반도체 내에는 서로 직접 맞닿아 합선되면 안되는 부분들도 존재한다. 따라서, 일종의 '차단막'을 만드는 방법이 있어야만한다. 이때 사용하는 과정이 '산화 공정'이다.

산화 공정 = Si Wafer 위에 보호막을 씌우는 과정

 

 Si(실리콘)은 산소와 반응하면 유리(SiO2)가 된다. 유리는 튼튼하고 반응성이 적어, 각종 음료수는 물론 화학약품을 저장할 때 사용된다. 반도체도 마찬가지인데, 산화공정을 통해 생성된 산화막은 매우 튼튼하며 안정적이기 때문에 다른 물질의 진입을 매우 잘 차단한다. 따라서, 이온 주입 공정 등에서 매우 요긴하게 사용된다.

 

 또한, 의도적으로 전류의 흐름을 막기 위해서도 사용된다. MOSFET의 구조의 핵심은 Gate인데, 과거의 BJT와 같은 트랜지스터와 달리 MOSFET은 전류 통로(Drain-Source)사이가 직접 맞닿지 않고 간접적으로 영향력을 행사한다. 이때, gate와 전류 통로를 막는 물질로도 산화막이 사용되며 이를 gate oxide라고 한다. 최근 생산되는 첨단 반도체의 경우, 반도체의 크기가 점차 작아짐에 따라 gate 절연막으로 HKMG 등 다양한 대체 물질이 사용되기도 한다.

HKMG(High-K Metal Gate)
: 누설 전류를 효과적으로 줄이기 위해 개발된 새로운 MOSFET gate. 기존의 다결정 실리콘인 gate를 금속으로 대체하고 절연막이었던 SiO2를 고유전체(High-K)로 대체한 트랜지스터

 

 반도체 회사들은 SiO2 뿐만 아니라 '증착'의 형태로도 보호막을 씌우며, 이미 형성된 회로의 일부분을 제조과정에서 활용하기도 한다. 산화는 증착과 달리 이미 존재하는 웨이퍼 물질의 일부를 사용하는 차이가 있다. (Si + O2 -> SiO2)

 

 

2-1. 산화 공정의 종류

 산화 공정은 크게 습식(wet), 건식(dry), 라디칼(radical) 크게 3종류로 나눌 수 있다.

▲ 산화의 종류

 

 습식 공정은 '고온의 물을 통해 실리콘의 표면을 녹슬게 하는 것'이다.

 

 습식 공정의 경우 매우 빠른 속도로 실리콘 산화막을 성장 시킬 수 있는 반면, 산화막의 전체적인 균일성, 밀도 등의 특성이 떨어진다. 또한 이 과정에서 부산물인 수소가 형성된다. 특성의 조절이 쉽지 않기 때문에, 성능이 중요한 핵심 영역에서는 사용하지 못한다.

 

건식 공정은 고온의 산소기체를 직접 실리콘 웨이퍼에 보내주는 방식이다.

 

 산소 분자는 물 분자보다 무겁기 때문에, 실리콘 웨이퍼 내부로 침투하는 속도가 상대적으로 좀 더 느리다. 따라서, 이 방식은 생성 속도가 습식 산화에 비해서 느리다. 대신, 습식 산화와는 달리 부산물 기체가 생기지 않을 뿐만 아니라, 밀도가 높고 균일한 산화막을 생성시킨다. 이러한 특성으로 인해 제품에 최종 성능에 중요한 영향을 미치는 반도체 게이트 부분의 산화막은 건식 산화로 만들어지게 된다.

 

 라디칼 산화는 건식/습식 산화와는 다소 다른 과정으로 진행된다. 위의 두 산화과정은 자연 상태의 기체들을 고온으로 올려 에너지를 주면서 웨이퍼의 표면과 반응시키는 방식이라면, 라디칼 산화는 한 단계를 더 거치는 방식이다.

 

▲ 라디칼 산화의 특징

 산소 원자를 고온에서 수소 분자와 섞어주면 '라디칼'이라는 반응성이 높은 기체로 바뀌는데, 이들을 실리콘 웨이퍼와 반응시키는 방식이 라디칼 산화이다. 라디칼은 반응성이 높아 건식 산화보다도 훨씬 높은 품질의 산화막을 형성할 수 있다. 왜냐면 불완전하게 반응하지 않기 때문이다. 따라서, 입체적인 구조에서 산화막의 두께를 균일하게 가져갈 수 있다. 반도체 회사가 사용하는 실리콘 웨이퍼는 단결정으로, 웨이퍼 표면 전체의 실리콘 원자들이 전부 같은 방향의 결정을 가진다.

 

 예를 들어 (100), (110) 결정 방향을 가진 실리콘 원자가 있다고 가정하자. 습식과 건식의 경우, 웨이퍼 위 방향의 (100)의 산화막 형성 속도는 느리고, 옆 방향 (110)의 산화 속도는 빠르다. 왜냐하면, (100) 방향의 Si 원자가 더 촘촘하기 때문이다. 원자가 촘촘하게 배치되어 있으면, 건식이나 습식 산화 기체가 결정을 뚫고 들어가 반응하기 힘들다. 라디칼 산화의 경우 이러한 속도차이 문제에서 조금 더 자유롭다.

 그 뿐만 아니라 라디칼 산화는 기존에는 산화막을 만들기 힘들었던 모서리 부위에도 균일한 산화막을 생성시키며, 심지어 반응성이 낮은 질화규소(Si3N4)에서도 Si를 훔쳐 산화반응을 일으킬 수 있다.

 

 반도체의 미세화가 점차 어려워지면서, 반도체 회사들이 반도체에 3차원 구조를 도입하는 일이 많아지고 있다. 이로인해 균일한 고품질의 막을 만드는 기술은 점점 더 반도체에서 중요해지고 있다. 이는 산화과정에서도 마찬가지이다.

 

 

2-2. 산화 장비의 구조

 

 위의 그림은 아주 간단하게 그린 산화 장비의 구조이다. 실제로 사용하는 장비는 훨씬 더 복잡한 구조이다. 

 

 

 

 장비에는 기체 투입구가 있는데, 이 주입구에는 반응하고자 하는 기체를 주입시킨다. 주입된 기체는 내부에서 가열되고, 웨이퍼와 만나서 반응하게 된다. 투입된 웨이퍼 안에는 일부 더미 웨이퍼가 끼워져 있는데, 더미 웨이퍼는 기기 구조상 발생하는 기기 양끝 웨이퍼의 반응속도 차이를 메워줄 목적으로 투입된다. 또한, 그림을 통해 알 수 있겠지만 산화 과정은 처리 속도가 상당히 빠른 축에 속한다. 수십 개의 웨이퍼를 일제히 투입한 뒤 반응시키기 때문이다.

더미 웨이퍼의 모습

 

더미 웨이퍼는 생산 웨이퍼 보호, 균일한 프로세스 부하 보장, 장비 가동 중단 시간 감소, 장비 검증 및 공정 교정 등에 사용되며, 대부분의 더미 웨이퍼는 생산 웨이퍼와 동일한 기본 재료로 만들어진다.

 

 산화 과정은 실제로는 확산 공정의 한 분야이기도 하며, 온도를 기준으로는 고온 공정에 분류되는 공정이다. 다음에는 빛을 이용하여 웨이퍼에 전자 회로를 새기는 '노광공정'에 대해 다루어보겠다. 

 

 

 

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