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반도체, 도대체 어떻게 만들어지는 걸까?

ⓒ픽사베이

 

(본 기사에서는 일반인이 최대한 이해하기 쉽게 일부 화학적 반응에 대한 공식과 설명, 일부 공정 내용이 생략되어 있습니다.)

 

한전은 4차 혁명에 맞춰 AI와 빅데이터를 활용한 AMI와 같은 신전력 시스템 등을 개발하여 송배전 간 효율적인 전력 수급 계획을 수립하고 있습니다. 이러한 차세대 기술의 기본은 반도체에 있다는 사실 알고 계신가요? 

 

*AMI(Advanced Metering Infrastructure) : 전력량계와 전력선의 통신, 무선 등의 통신망과 연결돼있어 전기 사용량과 시간대별 요금 정보 등의 데이터를 수집해서 양방향으로 제공하는 전력 서비스

 

우리가 흔히 사용하는 스마트폰, 컴퓨터에도 적게는 수십 개, 많게는 수만 개의 반도체가 들어가 있습니다. 반도체란 전기가 흐를 수 있는 물질을 뜻하는 도체와 전기가 흐를 수 없는 물질인 부도체의 중간 의미를 뜻합니다. 쉽게 말해, 어떤 상황에서 전기를 통하게 할지 말지를 결정하여 전류를 통제할 수 있는 도체를 의미합니다. 반도체는 전류를 통과시킴으로써의 1을, 전류를 통과시키지 않음으로써 0을 표현할 수 있습니다. 이를 트랜지스터라고 표현합니다. 보통 컴퓨터의 언어를 1과 0으로 즉 2진수로 표현하게 되죠. 따라서 전류를 통하거나 안 통하게 하는 무수히 많은 트랜지스터를 하나의 칩에 넣어 설계하게 되면 CPU로서의 동작이 가능해지는 것이 기본 원리입니다. 그렇다면 반도체 어떻게 만들어지는 걸까요? 어려워 보이는 반도체의 제작 과정, 이번 기회에 쉽게 설명해보도록 하겠습니다. 

 

반도체의 8대 공정

ⓒ노태현 제작

반도체는 전공정과 후공정으로 나뉩니다. 전공정은 트렌지스터를 제작하고, 배선을 연결하여 하나의 칩으로 동작이 가능하게 만드는 공정입니다. 후공정은 전공정 이후 제작된 다른 반도체와 연결하고, 동작 테스트, 포장하는 과정을 의미합니다. 이번 시간에는 반도체의 전공정에 대해 함께 알아보도록 해봐요.

 

웨이퍼 제조 공정

반도체는 실리콘을 주재료로 사용합니다. 실리콘은 모래에 포함되는 원소임으로 쉽게 구할 수 있어 가격이 저렴하고, 절연이 우수합니다. 반도체 공정은 매우 높은 고온에서 공정이 이루어지게 되는데, 실리콘을 가열하면 표면에 산화막, 즉 전기를 통하지 못하게 하는 절연막이 형성되어 의도치 않은 전자의 흐름을 막을 수 있습니다.

 

잘 정제된 실리콘을 다이아몬드로 만들어진 칼로 자르게(슬라이싱) 되는데요, 이때 울퉁불퉁한 표면을 매끄럽게 만들어 줍니다. 반도체는 저희 머리카락보다 만 배 작은 공정이 이루어지기 때문에, 아주 사소한 표면의 차이가 불량품을 만드는 원인이 되기 때문입니다.

 

산화 공정 (Oxidation)

위에서 말씀 드린 바와 같이, 웨이퍼는 순수 실리콘인 Si로 구성되어있는데요. 산화공정은 순수 실리콘을 SiO2라는 반도체의 핵심 물질(산화막)로 만들기 위한 과정입니다.

 

반도체 제조는 매우 고온에서 이루어지기 때문에 열에 대한 물질의 반응이 굉장히 중요합니다. SiO2는 Si보다 열팽창 계수가 작고, 열전도율이 낮으며 화학적으로 안정한 장점이 있습니다.

 

SiO2는 실리콘 Si와 산소 O2가 결합한 분자입니다. 산화시키는 방법에는 대표적으로 두 가지가 있는데요. 순수한 산소를 오랫동안 실리콘에 노출해 품질 좋은 산화막을 만드는 건식 산화와(Dry Oxidation) 수증기를 실리콘에 노출해 단시간에 두꺼운 산화막을 만드는 습식 산화로(Wet Oxidation) 나누어집니다. 쉽게 생각하면, 철이 야외에 노출되어 녹스는 것과 같은 원리입니다. 철이 녹이 슬게 되면, 철의 일정 부분이 소모되면서 두꺼워지죠. 마찬가지로 산화 공정은 웨이퍼 일부분을 소모하면서 산화막을 만드는 것이죠.

 

포토 공정 (Lithography)

반도체에 원하는 패턴을 만들어주는 포토 공정입니다. 이름에서부터 느낄 수 있듯이 사진을 현상하는 과정과 매우 유사합니다. 사진관에서, 필름에 찍은 사진의 상을 맺히게 하고, 필름에 빛을 투과시켜 인화지에 그려내는 원리죠.

 

ⓒ노태현 제작

 

먼저, 접착제 역할을 수행하는 HMDS(Hexa Methyl Di Silazane) 물질을 웨이퍼 위에 도포를 하여, 빛에 반응하여 분해되는 물질인 감광액과 웨이퍼가 잘 붙게 해 줍니다. 이후 감광액을 균일하게 웨이퍼에 도포합니다. 포토 공정에서 제일 중요한 단계는 Exposure(노광) 단계입니다. 원하는 부분을 제외한 나머지 부분을 제거할 수 있는 틀(Mask)를 제작하여 감광액 위에 위치시키고 빛을 쪼여서 감광액을 분해하는 과정인데요. 이 빛을 얼마나 정확하고 미세하게 감광액에 투과시키는지가 반도체 미세화에 결정적인 요인 중 하나입니다. 빛을 받은 감광액은 특수 분해가 가능한 상태로 남아 Develop단계에서 특수 용액에 의해 현상되어 사라지게 됩니다.

 

ⓒ노태현 제작

 

쉽게 말해 포토공정은, 마스크를 통해 빛에 노광되지 않은 감광액을 단단하게 남기는 공정입니다. 전체 반도체 공정에서 제일 높은 비용과 많은 공정 시간이 필요하며 초소형 반도체를 제작하기 위해 중요한 공정입니다.

 

식각 공정 (Etch)

식각 공정은 원하는 곳을 일부 제거하기 위해 수행되는 공정입니다. 대표적으로 아르곤 물질을 활용한 ‘플라즈마’를 이용하게 되는데요, 전기 에너지에 의한 연쇄적인 이온화 반응을 이용하여 산화막을 제거합니다. 쉽게 말해서 구슬이 꽉 찬 컵에 강한 힘을 가지고 구슬을 던지게 되면, 서로 연쇄 반응하며 컵에 있는 구슬이 튀어나오게 되는 것과 비슷합니다. 위와 같은 반응으로 웨이퍼 위에 형성되어있던 산화막 SiO2를 식각하게 됩니다.

 

ⓒ노태현 제작

 

식각 공정은, 원하는 곳만 식각하기 위해, 포토공정으로 감광액을 산화막 위에 위치시키고, 식각 공정을 통해 PR이 없는 부분을 일부 제거하는 공정입니다. 즉, 웨이퍼 위에 형성된 산화막 SiO2 중 원하는 부분만을 제거하는 것이죠.

 

다시 시작되는 산화, 그리고 이온 주입

반도체로서의 역할을 수행하기 위해 특정 물질을 산화, 그리고 이온을 주입합니다. P-type과 N-type의 원소들을 주입하게 되는데요. P-type에는 +의 성질을 가지는 붕소(B), 인듐(ln), N-type에는 – 성질을 가지는 비소(As), 인(P)이 도핑됩니다. 반면에 이온을 주입하게 되면 저온 공정이 가능하고 빠르고 균일한 도핑 컨트롤이 가능하게 됩니다. 이렇게 N-type의 원소와 P-type의 원소가 주입되고 난 뒤 박막, 증착 공정이 시작됩니다.

 

박막 증착 공정

반도체의 박막은 1um의 얇은 두께의 필름을 말하며, 모든 형태의 박막이, 박막 증착 공정에 의해 가능합니다. 이러한 박막을 형성하는 방법에는 물리적인 방법을 사용한 PVD 방식과 화학적인 방법을 동원하는 CVD 방식이 있습니다.

 

ⓒ노태현 제작

 

PVD(Physical Vapor Deposition : 물리기상증착법)은 물리적인 힘으로 금속을 증착할 때 사용하는 방법입니다. 주로 열, 플라즈마 등이 있는데요, 물리적인 힘을 가지고 증착을 수행하기에 빠르지만, 기판이 손상될 가능성이 있습니다.

 

CVD(Chemical Vapor Deposition : 화학기상증착법)은 기압을 조절한 흡착 작용을 활용합니다. 대기압보다 낮거나 높은 기압을 통해 화학 분자의 결합, 분해를 유도하여 증착하는 것이지요. 박막 증착 공정이 끝나게 되면, 얇은 띠의 절연층, 도금층 혹은 매우 얇은 N-type, P-type 증착이 이뤄집니다.

 

금속 배선 공정

지금까지의 공정을 통해, 반도체 내부에는 서로 통하지 않는 수만 개의 트랜지스터가 만들어졌습니다. 이제는 이 트랜지스터끼리 연결하는 길을 열어 전류에 흐름에 따른 동작을 결정지을 금속 배선 공정이 수행될 때입니다. 반도체에 사용되는 금속은 Cu(구리)로 자리 잡았습니다. 비싸고 단단하여 식각 하기 어렵지만, 기존에 사용하던 알루미늄보다 녹는점이 높아 고온의 공정에서도 잘 버티는 이점이 있죠.

 

금속 배선 공정에서는 모든 공정이 다시 한 번 이루어집니다. 산화막을 증착하는 확산공정에 이어, 사진 공정, 식각 공정, 이후 Cu를 전해 도금*하여 증착 후, 균일한 두께를 가지게끔 매끈하게 다듬어주게 됩니다. 반도체를 위에서 볼 때, 구릿빛의 색이 보이는 이유입니다.

*전해 도금 : 금이나 은을 도금하는 과정에서도 사용하는 전해 도금 방식은 웨이퍼와 구리를 특수 용액에 넣은 후 전기를 가하면 구리의 성분이 웨이퍼에 증착되는 방식입니다.

 

ⓒ노태현 제작

 

Cu가 도금되고, 동일한 방법으로 메탈의 길을 열어주게 된다면, 여러 개의 트랜지스터가 서로 전기신호를 통해 상호작용하는 반도체가 탄생하게 됩니다.

 

지금까지 알아본 공정은 전공정으로 웨이퍼에 여러 트랜지스터를 올리고, 그 트랜지스터들을 연결하는 과정까지로 볼 수 있습니다. 이후의 후공정에서는 다른 반도체와 결합하여 연산처리와 같은 고난도의 작업 처리를 가능하게 합니다. 이렇게 많은 공정을 나노 단위로 만들어지는 반도체, 흥미로우셨나요? 작은 반도체에 이렇게 복잡하고 많은 과정이 필요하다는 사실! 우리가 사용하는 제품 속 작은 반도체에도 많은 관심을 가져주세요.

 

 

 


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