반도체 산업분석Ⅱ 반도체 제조공정 8대공정 총정리

 

 

이번 주제는 반도체 산업분석Ⅱ, 반도체 제조공정 8대공정을 정리해보자.

이전편에서 반도체 구분 및 전체 큰틀에서 어떤 공정 특성갖고 있는지 확인해보았다.

2023.04.28 - [주식/산업분석] - 반도체 산업분석Ⅰ 반도체의 구분 및 제조공정별 특성

반도체 산업분석Ⅰ 반도체의 구분 및 제조공정별 특성

기본적으로 반도체 8대공정이라하면, 다음과 같이 나타낼 수 있다.

웨이퍼제조->산화공정->포토공정->식각공정->증착&이온주입공정->금속배선공정->EDS공정->패키징공정

조금더 구체적으로 그림으로 표현하면 다음과 같이 나타낼 수 있다.

출처-메리츠리서치센터

그렇지만 웨이퍼제조는 반도체 공장에서 일어나는 공정은 아니며, 금속배선공정,EDS공정,패키징공정은 하나의 단일공정이 아닌  특정 작업 전체를 나타내는 말이다.

 

그림속에서 전공정과 후공정의 차이는 간단하다.

전공정은 웨이퍼위에 회로를 만드는 과정, 후공정은 전공정을 거친 반도체를 테스트하고 패키징하는 과정이라고 이해하면된다.

향후 주식투자하면 이러한 전공정 후공정 밸류체인 및 소재 부품업체들이 어느회사가 있는지 확인할 수 있다.

 

공정별 하나씩 어떤 역할을 하는지 간략하고 핵심만 살펴보자.

 

 웨이퍼제조

웨이퍼는 얇은 기판으로 다수의 동일회로를 만들어 반도체 집적회로의 재료가 된다.

실리콘, 갈륨아세나이드를 통해 만든 단결정 기둥을 얇게 썬 원판을 의미하며 대부분 실리콘으로 만들어진다.

 

1단계 잉곳만들기

실리콘원료를 뜨거운 열로 녹여 고순도의 실리콘용액을 만들고 이것을 결정 성장시켜 굳히는데 이렇게 만들어진 실리콘기둥을 잉곳이라고 한다.

2단계 절단하기

잉곳을 원판형의 웨이퍼로 만들기위해 균일한 두꺠로 얇게 써는 작업으로 웨이퍼가 얇을수록 제조원가가 줄어들며, 지름이 클수록 칩수가 증가하기때문에 두께와 크기는 점점 얇고 커지는 추세

3단계 웨이퍼표면 연마하기

절단된 웨이퍼는 표면에 흠결이 있고 거칠어 회로의 정밀도에 영향을 미칠수 있기때문에 연마액과 장비를 통해 매끄럽게 연마한다.

 

 산화공정

웨이퍼의 절연막의 역할을 하는 산화막을 형성해 회로와 회로사이에 누설전류가 흐르는 것을 차단하기 위함

이온주입공정에서 확산 방지막열할을 하고 식각공정에서는 필요한 부분이 잘못 식각되는 것을 막는 식각 방지막역할

 

산화공정방식에는 열산화와 플라즈마 보강, 전기 화학적양극처리 등 여러가지 종류가 존재

가장 보편화되있는 방법은 고온에서 얇고 균일한 실리콘 산화막을 형성시키는 열산화 방법

 

열산화 방법은 2가지로 나뉘는데 건식산화(산소)와 습식산화(산소+수증기)가 있다.

건식산화는 전기적특성이 좋은 산화물을 만들수 있고, 습식산화는 산화막성장속도가 빠르고 보다 두꺼운막을 형성가능

 

 포토공정

포토리소그래피를 줄여 포토공정이라고 말한다.

한마디로 말하자면 웨이퍼에 회로를 그려 넣는 공정이라고 할 수 있다.

 

감광액(PR)을 골고루 바른후 막이 형성된 웨이퍼에 노광장비를 사용해 회로 패턴이 담긴 마스크에 빛을 통과시켜 웨이퍼에 회로를 찍어낸다.

마스크는 회로패턴을 담아낸 필름으로 사진 원판의 기능을 하게 된다. 세밀한 패터닝을 하기위해 반도체회로보다 크게 제작되며 렌즈를 이용해 빛을 축소해 조사

마지막 단계 현상으로는 사진을 현상하는 과정과 동일하게 웨이퍼에 현상액을 뿌려가며 노광된 영역과 노광되지 않은 영역을 선택적으로 제거해 회로패턴을 형성한다.

 

 식각공정

산화막을 액체 또는 기체의 부식액을 이용해 불필요한 부분을 선택적으로 제거한 후 반도체 회로 패턴을 만드는 공정

 

포토공정에서 형성된 감광액 부분을 남겨둔 채 나머지 부분을 부식액을 이용해 벗겨냄

식각반응을 일으키는 물질의 상태에 따라 습식과 건식으로 나뉨

건식(플라즈마)은 반응성기체, 이온 등을 이용

습식은 용액을 이용 화학적반응

 

건식은 습식에 비해 비싸고 방법이 까다로움, 그러나 나노단위 고집적화되는 반도체에서 미세하게 조정하고 수율을 높이기 위해 건식 식각 확대

 

 

 증착 및 이온주입공정

증착공정은 회로간의 구분과 연결, 보호역할을 하는 박막을 입히는 공정

 

반도체는 절연막층과 금속막층으로 구분되어야함

금속막은 전기적신호를 연결, 절연막은 전기적으로 분리

 

증착공정은 물리적 기상증착방법과 화학적 기상증착방법 두가지로 나뉨

 

물리적 기상증착방법(PVD)은 금속박막의 증착에 주로형성, 화학적반응 없음

화학적 기상증착방법(CVD)은 가스의 화학반응으로 형성된 입자들을 외부에너지가 부여된 수증기형태로 쏘아 증착 

 

현재 반도체공정에선 화학적 기상증착방법을 많이사용

 

이온주입공정은 반도체는 규소로 되어있어 전기가 통하지 않으나 불순물을 넣어줘서 전류를 흐르게하는 전도성 형성하는 공정

 

불순물을 이온이라고 부름

불순물로 인, 비소, 붕소 등을 사용, 인과 비소를 넣으면 n형반도체, 붕소를 넣으면 P형반도체

 

노광->식각->증착을 수백회 반복시행해서 여러 층을 만들고 회로를 형성함

 

 금속배선공정

전기가 잘통하는 금속성질을 이용해 반도체의 회로패턴을 따라 금속선을 이어주는 공정

 

금속재료의 필요조건을 아래와 같이 충족해야함

웨이퍼와의 부착성, 전기저항이 낮은물질, 열적, 화학적 안정성, 패턴형성의 용이성, 높은 신뢰성, 제조가격

대표적으로 알루미늄, 티타늄, 텅스텐 등이 만족

 

금속배선 또한 증착을 통해 이루어짐

금속을 진공챔버에 넣고 낮은 압력에서 끓이거나 전기전 충격을 주면 금속은 증기상태가 되고 이때 웨이퍼를 진공챔버에 넣으면 얇은 금속막 형성

 

 EDS공정

EDS공정은 전기적 특성검사를 통해 개별 칩들이 원하는 품질수준에 도달했는지 확인하는 공정

 

목적

웨이퍼 상태 반도체 칩의 양품/불량품 선별
불량 칩 중 수선 가능한 칩의 양품화
FAB 공정 또는 설계에서 발견된 문제점의 수정
불량 칩을 미리 선별해 이후 진행되는 패키징공정 및 테스트 작업의 효율 향상

 

수율을 높이기 위해서 반드시 필요한 과정

수율은 웨이퍼 한장에 설계된 최대칩개수 대비 양품 칩의 개수를 백분율로 계산한것으로 생산성과 직결

 

 

 패키징공정

패키징공정은 반도체 칩이 외부와 신호를 주고 받을 수 있도록 길을 만들어주고 다양한 외부환경으로부터 안전하게 보호받는 형태로 만드는 공정

 

패키징 공정 단계

웨이퍼절단 -> 칩 접착(리드프레임,PCB) -> 금선연결(와이어본딩) ->  몰딩(밀봉) -> 패키지테스트

 

패키지 테스트는 원제품형태를 갖춘후 검사를 진행

검사장비를 활용해 다양한 조건의 전압이나 전기신호, 온도, 습도 등을 가해 제품의 전기적 특성, 기능적 특성, 동작 속도를 측정