반도체의 기본 원리와 8대 공정

반도체란 무엇인가

반도체의 정의는 도체와 부도체의 중간 영역에 속하는 것이며, 쉽게 말하면 전기가 통하지 않는 부도체를 인위적으로 전기가 통하는 도체로 만든 물질입니다. 금속은 전자들이 이동할 수 있기 때문에 전기가 통하지만, 부도체는 전기가 통하지 않습니다. 하지만 반도체는 전기가 통하지 않는 부도체를 변형하여 전기가 통하는 도체로 만들 수 있습니다. 

 

 그렇다면 이러한 반도체가 왜 필요하고 어디에 쓰이는지 알고 계시나요?

 

반도체는 도체의 성질을 띠게 할 수도, 부도체의 성질을 띠게 할 수도 있는 소자입니다. 여기서 핵심적인 내용은 반도체의 이러한 성질 변화를 조작할 수 있다는 것입니다.

 컴퓨터에서 사용되는 언어는 0과 1로 구성되어 있으며, 반도체 소자인 트랜지스터의 On / Off 로 0과 1을 표현할 수 있습니다. 즉, 반도체를 조합하여 만든 트랜지스터 소자로 On / Off 상태를 제어하여 전자기기에 원하는 신호를 입력할 수 있습니다. 

(+ 위 내용을 조금 더 파고든다면, 1초 이내에 트랜지스터를 수천 ~ 수만 번의 On/Off 가 가능하게 되었고 이로 따라 연산 속도가 획기적으로 상승하였습니다. -> 이를 가능하게 한 것이 반도체입니다)

 

트랜지스터를 포함하여 다양한 반도체 소자들을 기판에 삽입하고, 배선 공정을 통해 연결한 것이 반도체 기판(Integrated Circuit , IC, 집적회로)입니다.  - > 우리는 이것을 IC 칩(또는 칩)이라고 부르기로 했어요.

 

그리고 일상에서 사용하는 모든 전자제품 속에는 이러한 칩이 포함되어 있습니다.

반도체가 얼마나 대단하고 일상에 꼭 필요한 기술인지 조금이나마 이해가 되셨으면 좋겠습니다.

 

그렇다면 이렇게 중요한 반도체 칩(집적 회로)은 어떠한 공정을 거쳐 제조되는지 알아보겠습니다.

반도체 8대 공정 

반도체는 기본적으로 8대 제조 공정을 거쳐 생산됩니다.

( 주의할 점: 반도체를 제조하는 기업에 따라 공정을 나누는 기준이 다르므로 감안하고 읽어 주시면 감사하겠습니다)

   ex. 8대 공정 : 포토 - 식각 - 확산 - 이온주입 -  화학증착 - 박막증착 - 연마 - 세정  

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대표적인 8대 공정은 다음과 같습니다.

1. 웨이퍼 제조
2. 산화 공정
3. 포토 공정
4. 식각 공정
5. 증착 및 이온 주입 공정
6. 금속 배선 공정
7. EDS 공정
8. 패키징 공정 

이외에도 전공정 & 후공정으로 나누어 보통 웨이퍼 제조 ~ 금속 배선 공정까지 전공정, EDS ~ 패키징 공정을 후공정으로 분류하기도 합니다.

 

•  전공정
  
  웨이퍼 제조 : 반도체 칩의 기반이 되는 물질인 실리콘 결정체를 Plate로 절단하는 공정입니다. 실리콘 Plate에 반도체 칩이 안정되게 올라갈 수 있도록 여러 물리적, 화학적 처리 과정을 진행하여 표면 처리 및 불순물을 제거합니다.
   + 웨이퍼 제조 공정을 8대 공정에서 제외하기도 합니다. 반도체라는 분야가 정립된 지 오래되지 않았기에 확실한 기준이 세워지지 않았다고 생각하고 있습니다.
  
  산화 공정 : 웨이퍼 표면에 실리콘 산화막(SiO2)를 형성하는 공정입니다. 실리콘 산화막의 가장 중요한 역할은 전자 소제의 절연층 역할을 하는 것입니다.
  
  포토 공정 : 웨이퍼 위에 감광층을 코팅하고, 포토마스크에 그려진 밑그림을 빛으로 노출하는 공정입니다. 포토마스크에는 회로 형태로 그려진 밑그림이 있으며, 이를 노광장비를 사용하여 웨이퍼에 옮겨줍니다. 이렇게 포토 공정을 거치면서 웨이퍼에는 감광층과 이산화 규소가 형성됩니다.
  
  식각 공정 : 반도체 제조에서 필요 없는 부분을 깎아내는 과정입니다. 이 과정에서는 감광층을 보호하기 위해 확산 방지막을 증착하고, 화학적인 애칭을 사용하여 물질을 제거합니다. 이렇게 애칭을 통해 필요한 부분만 남게 되며, 이 과정을 통해 반도체 소자의 구조가 형성됩니다.
  
  증착 공정 : 웨이퍼 위에 필요한 층을 형성하는 과정입니다. 이 과정에서는 이산화주석과 실리콘 원자들이 반응하여 산화막과 실리콘층을 형성합니다. 이렇게 형성된 층은 증착 방법을 사용하여 웨이퍼에 적용됩니다.
  
  이온 주입 공정 : 반도체에 이온을 주입하여 반도체에 특정한 성질(n형, p형)을 부여하는 과정입니다. 이 과정에서는 웨이퍼를 이온 주입 장비로 옮기고, 이온을 가속해 웨이퍼에 주입합니다. 이렇게 주입된 이온은 실리콘과 결합하여 반도체 소자의 구조를 형성합니다.
  
  금속 배선 공정 : 반도체의 배선을 연결하는 과정입니다. 이 과정에서는 산화막을 증착하여 절연층을 형성하고, 포토에칭 공정을 통해 금속이 들어갈 부분에 구멍을 뚫어줍니다. 그 후 부리를 도금하여 안을 구리로 채우면 됩니다. 이렇게 완성된 금속 배선을 통해 반도체 소자들을 전선으로 연결할 수 있습니다.
  
  
• 후공정
  
  EDS 공정 : 웨이퍼 1개에서 생산한 수많은 반도체 칩을 검사하는 공정입니다. 각각의 반도체 칩에 전기를 인가하여 양품과 불량을 확인하고, 기대 성능 및 품질에 적합한지 확인할 수 있습니다. 이 과정에서 불량으로 판정된 칩의 경우 전공정으로 돌아가 재가공 되거나 폐기됩니다. - 수율이 결정되는 단계
  
  패키징 공정 : 양품인 반도체 칩을 보호하고 기기와 연결하기 위해 전기적으로 포장하는 공정입니다. 해당 공정에서 반도체 칩의 완성된 형태를 결정하게 됩니다. 패키징 공정 이후 품질 검사가 다시 이루어지며 모든 품질 검사를 통과한 제품이 출하됩니다.
  + 기술의 고도화가 이루어진 전공정(초미세 공정)에서 획기적인 성능 향상의 어려움을 겪자, 점차 후공정의 신기술 개발로 성능 향상을 꾀하려는 방향으로 기술 발전의 초점이 변화하고 있습니다.

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최대한 쉽고 많은 사람들이 이해할 수 있도록 쓰려고 많이 노력했습니다.  부족하다고 생각되지만 끝까지 읽어 주셔서 감사합니다.