여러가지 반도체 공정 개요

1. 8대 공정

 반도체 공정은 기본적으로 박막에 패턴을 만들고 이런 패턴들이 위에 쌓이게 되면서 입체적인 구조에서 목적하는 기능을 구현하는 소자를 만드는 것이다. 이를 위해서는 막을 쌓고 그 막에 패턴을 만들고 깎아 내야 하며 그 안에 또 다른 물질을 채워 넣어야 한다. 이런 일련의 과정을 반도체 공정이라고 한다. 대략 Photo, Etch, CVD, Metal, Diffusion, Implant, CMP, Clean 8개의 유닛 공정을 명시하고 있다. 사실 8대 공정은 현재의 제조 기술에 맞춰 중요한 공정들을 분류하여 놓은 것이고, 이는 기술의 발전에 따라 다른 공정이 더 추가될 수 있다. 중요한 것은 반도체 공정은 이런 각 유닛 공정을 반복적으로 하여 원하는 구조의 칩을 제조한다는 것이다.

2. 전공정과 후공정

 칩을 제조하는 과정을 전공정과 후공정으로 나누는데, 전공정은 웨이퍼의 투입부터 8대 공정을 통해 기능을 수행할 수 있도록 웨이퍼 상에 칩을 제조하는 공정이며 후공정은 전공정을 통해 만들어진 웨이퍼 상태의 칩들을 패키징하여 각종 전자장치에 부착할 수 있도록 만드는 공정이다. 전공정은 FEOL(Front-End-Of-Line)과 BEOL(Back-End-Of-Line)으로 나뉘고 중간에 MOL(Middle-Of-Line)을 추가하기도 한다. FEOL은 주로 소자의 제작에 필요한 공정까지로 분류하여 GATE/SOURCE/DRAIN 등의 공정을 포함한다. 그 이후 MOL에서는 각 단자의 전기적인 콘택트와 배선을 이어주는 플러그를 만들어 주는 공정이며, BEOL은 배선 공정을 말한다.

3. WAFER 공정

 웨이퍼를 제조하는 것은 전자 회사에서는 하지 않지만, 반도체 성능에 매우 중요하다. 웨이퍼는 반도체 단결정을 얇게 슬라이스하여 반도체 특성을 가지며 공정이 진행될 때 지지대의 역할도 한다. 기본적으로 실리콘 단결정을 크게 만들어야 하는 데 주로 많이 사용하는 방법은 초크랄스키(CZ)방식과 플랫존 방식이 있고, 대구경화 측면에서 초크랄스키가 더 많이 쓰이고 있다. CZ 방식은 액상의 실리콘을 돌리면서 위로 뽑아내어 굳히는 방식으로 액상의 실리콘에 불순물을 첨가하여 도핑을 할 수 있으며, Seed는 단결정 실리콘 크리스탈로 시드와 액상 실리콘은 서로 반대 방향으로 회전해야 한다. 이 방식은 상대적으로 비용이 적게 들며, 큰 직경의 웨이퍼가 생산할 수 있으며 잘라내고 남은 실리콘은 재사용이 가능하다. 또한 도가니를 사용하지 않기 때문에 고순도의 실리콘 단결정 형성이 가능하나 직경을 크게 만들기 어렵다는 단점이 있다.

4. 클린룸(Clean room)

 반도체 제조는 매우 깨끗한 환경에서 진행되는데 공기 중의 먼지나 불순물 등 반도체 공정 중에 이런 입자(particle)들이 떨어지게 되면 동작에 오류가 발생하거나 비정상 동작을 할 수 있다. 따라서 반도체 공정이 진행되는 팹은 먼지, 습도, 공조 등이 매우 정밀히 제어되고 있다. 또한 사람으로부터 떨어지는 오염원을 줄이기 위해 방진복으로 불리는 하얀 옷과 모자 그리고 마스크를 쓰게 되며 눈 이외의 모든 부위를 가리고 업무를 진행한다. 이처럼 공기 속에 존재하는 입자, 온도, 습도 공기압 등이 제어되는 공간을 클린룸이라고 하며 공정의 신뢰성을 확보하는데 기본이 된다. 클린룸의 수준을 나타내는 단위는 클래스(Class)인데 1 입방 피트당 0.5㎛ 이상의 입자 개수를 기준으로 한다. 클래스가 낮을수록 파티클이 적다는 것을 의미하며, 첨단 반도체 공장의 경우 1 클래스 이하로 관리되고 있다. 실리콘 제작부터 파티클이 관리되고 있으며 특히 칩의 공정이 진행되는 단계에서 클래스를 낮게 관리하고 있다. 파티클은 소자의 사이즈가 작아질수록 미치는 영향이 커지므로 미세 공정을 사용한 첨단 공정에서는 더욱 중요해지는 요소이다. 외부 공기의 파티클이나 먼지 불순물을 제거하고 클린룸에 공급해 주어야 하는데, 고성능의 필터를 사용하고 있으며 내부 공조에도 필터를 통해 계속 파티클을 제거해주고 있다. 클린룸 내에서는 공기가 위에서 아래로 순환하도록 관리하여 파티클이 부유하지 않도록 하고, 이를 위해 바닥 타일에 구멍을 뚫어 공기가 순환되도록 설계하였다.
 클린룸 내에는 공정을 진행할 수 있는 여러 설비가 정렬되어 있고 공정 자동화에 맞게 설계된 레일이 설비 위쪽으로 만들어져 공정의 기본 단위인 LOT이 캐리어에 담겨 이동할 수 있도록 되어있다. 또한 노란 조명을 쓰는 특별한 공간이 존재하고, 패턴을 만드는 포토 공정의 경우 빛을 이용하여 에너지를 사용하기 때문에 공정에 영향을 주지 않는 노란색 조명을 사용하고 있다. 이를 Yellow Room이라고 부르고 과거에는 구분된 공간에서 공정이 진행되었으나 최근에는 벽 자제가 파티클에 취약하기 때문에 영역으로만 구분하고 공간적으로는 개방된 상태다.

5. 공정 설비와 공정 parameter

 클린룸에 배치된 공정 설비와 그와 관련된 부속 장치들에 대해 개념을 이해하도록 하자. 반도체 공정은 설비에서 자동화되어 진행되기 때문에 설비와 그 부속에 대해 이해하지 못하면 공정 파라미터를 제대로 이해할 수 없고 공정을 제어할 수 없다. 마찬가지로 설비 엔지니어도 설비뿐 아니라 공정의 개념을 잘 알고 있어야 본인이 담당하는 설비가 공정에 미치는 영향을 잘 파악할 수 있다. 공정은 설비를 통해 이루어지고 설비는 공정의 결과에 영향을 주기 때문이다.