EBS 위대한 수업 3 (반도체란 무엇인가) 5~6강

EBS 위대한 수업 3 (반도체란 무엇인가) 5~6강

위대한 백스물 번째 강연 '반도체란 무엇인가' (시즌 3 서른아홉 번째)

 

 

(2024.07.17 방송)

 

 

잭 리(Gregory Mankiw) 텍사스대 전기컴퓨터공학과 교수

 

 

 

 

5강  반도체 8대 공정(상)

 

 

 

 

◈  집적 회로 제조 과정

 

집적 회로는 아주 작은 전자 장치로 반도체 물질로 만들어진 장치다

95퍼센트는 실리콘으로 만들어지며 다양한 부품이 들어간다

트랜지스터, 저항기, 축전기 등이 들어간다

 

 

 

1. 웨이퍼 제조

12인치에 달하는 원판인 실리콘 기판은

초크랄스키 공정이라는 방법을 사용해 제작한다

순도 높은 실리콘을 녹이는 것이다

모래를 정제해서 실리콘을 추출하고

도가니에 넣고 녹이는 것이다(1412℃)

그리고 막대기 끝에 작은 단결정 시드를 달아서

녹은 실리콘에 넣는다

 

 

완성된 원통형 잉곳은

1970년대만 해도 지름이 2인치(50mm)였는데

현대의 기술로 지름이 12인치(300mm)까지 늘어났다

시제품 단계까지 포함하면 18인치(450mm) 짜리도 등장했다

 

잉곳이 만들어졌다면 최대한 정밀하게 잘라 내야 한다

 

 

그리고 표면을 연마해 결함이나 흠이 없게 부드럽게 만든다

기판을 잘 연마해야 그 위에 집적 회로를 제조할 수 있다

 

 

 

2. 산화 공정

: 웨이퍼에 보호층 및 절연체를 만드는 과정

산화막을 만드는 과정으로 절연체 제조에 매우 중요하고

집적 회로 칩에 쓸 마스크(Mask, 반도체 회로를 그리는 틀)를

만들 때나 집적 회로 구조를 만들 때도 필요하다

 

♧  산화막의 종류

· 이산화규소: 실리콘(규소)에 생긴 산화막

  건식 산화 환경에서도 이산화 규소를 만들 수 있는데

  실리콘 웨이퍼를 산소에 반응시켜 이산화규소를 만드는 것이다

 

 

  또 실리콘의 수증기 반응을 활용할 수도 있는데

 

 

  수소와 산소를 동시에 주입하는 발열성 방식도 있다

  고온에서 수소와 산소가 만나면 수증기가 생기는데

 

 

반도체 제조에 실리콘을 많이 쓰는 건

단순히 실리콘이 풍부하기 때문은 아니다

(지구 표면의 25.7%가 실리콘)

 

그보다 더 중요한 이유는 반도체 소재 중

사실상 실리콘에서만 전기적으로 매우 우수한

자연 산화막이 균일하게 생성되기 때문이다

 

갈륨비소는 자연 산화막이 별로 생기지 않고, 질도 안 좋다

저마늄도 마찬가지다

 

 

3. 포토리소그래피

회로 제조에서 가장 중요한 작업은

회로의 디자인을 칩 위에 옮기는 것이다

실리콘 웨이퍼에 회로 패턴을 그리는 공정

 

공정의 첫 단계는 웨이퍼를 회전시키며

감광액을 바르는 것이다

 

 

그다음 공정은 마스크를 웨이퍼에 잘 정렬하는 것이다

 

 

감광막에 자외선을 쬐면 감광막에 화학적 변화가 일어난다

나중에 현상하는 과정에서 감광막의 화학적 성질에 따라

빛에 닿은 부분이 제거되기도 하고 남기도 한다

그렇게 패턴이 새겨진다

 

 

☞  회로 하나를 만들 때 마스크가 몇 장 필요할까?

 

마스크의 수는 소자의 크기가 작아질수록 늘어난다

멀티 패터닝 같은 추가 공정을 거쳐야 하기 때문이다

구세대 칩을 만들 때 마스크 20-30장이 필요했다면

요즘 쓰는 28-14 나노미터 칩에는 40-60장이 들어간다

현재로서 가장 발전한 단계인 7-5 나노미터급 칩에는

마스크 60-80장을 쓰고

앞으로 등장할 3 나노미터급 생산 공정에는

 

 

마스크의 수도 공정의 수도 매우 많다

 

 

극자외선을 쓰려고 하는 이유는

현재 이용하는 파장 195 나노미터짜리 빛에 비해

파장이 13.5 나노미터로 매우 짧기 때문이다

그러면 고성능에 크기도 작은 반도체 소자를 만들 수 있다

 

 

♧  EUV(극자외선) 리소그래피가 어려운 이유

 

극자외선을 생성하는 것은 결코 쉽지 않다

아주 힘든 작업이다

 

① 광원 만들기

극자외선은 주석 방울에 레이저를 쏠 때 발생하는

플라스마로 만든다

 

 

효율성과 신뢰성이 아주 높아야 한다

 

② EUV에 반응하는 감광액 만들기

포토레지스트가 극자외선 파장에 민감하게 반응해야 한다는 것이다

 

③ 결함 없는 패턴 그리기

또한 그려 낸 패턴에 결함이 있어서도 안 된다

 

④ EUV 마스크 만들기

기존의 포토리소그래피나 포토마스크를 생각해선 안 된다

일반적 마스크는 빛을 투과시킨다

하지만 EUV 마스크는 빛을 반사할 수 있어야 한다

대부분의 물질은 극자외선을 흡수하기 때문에

EUV 마스크 제조는 정말 복잡하다

 

⑤ 오염 제어하기

아주 미세한 먼지나 오염, 결함만 있어도

칩 전체를 못 쓰게 된다는 것이다

 

또한 극자외선 장비는 스쿨버스만큼 크다

이런 버스를 한 곳에서 다른 곳으로 옮기려면

수많은 비행기, 컨테이너와 트럭이 필요하다

 

비용이 큰 것도 문제이다

장비 한 대의 가격이 몇 억 달러 이상이다

더욱이 새로운 시스템을 자리 잡게 하는 데도

엄청난 비용이 들어간다

 

EUV 장비를 쓰려면 진동이 거의 없는 환경이 필요하다

또 주변의 온도와 습도까지 굉장히 안정적으로 통제해야 한다

따라서 극자외선 기술은 전망이 매우 밝지만

여러 어려움과 비용 문제가 따른다

 

 

 

 

(2024.07.18 방송)

 

 

 

 

6강  반도체 8대 공정(하)

 

 

 

 

 

4. 식각공정

 

 

산화막이 형성되고 나면 특정 패턴을 새겨 넣어야 한다

이러한 식각 공정은 산화막에서 불필요한 물질을 제거함으로써

원하는 구조를 만드는 단계이다

 

식각 공정의 유형과 방식은 매우 다양한데

크게 두 가지 유형으로 나눌 수 있다

 

① 습식식각

: 웨이퍼를 식각액에 담그는 방식으로

그 용액에는 식각용 화학 물질이 들어 있다

 

 

 

 

② 건식식각

: 플라스마를 활용해서 패턴을 새기는 방식

 

 

 

 

폭이 깊고 좁은 특징을 만드는데 중요하며

균일성을 유지하며 곧은 식벽을 만들 수 있다

집적 회로의 여러 구조에서 곧은 식벽 구조가 많이 사용된다

 

 

5. 박막 공정

 

 

물질을 증착하는 방식은 다양하다

그중에서도 주된 방식을 이렇게 정리해 봤다

 

증착 방식 1 > 화학적 기상 증착(Chemical Vapar Deposition)

: 웨이퍼를 두 가지 가스의 화학반응에 노출하는 방식

 

 

 

증착 방식 2 > 물리적 기상 증착(Physical Vapar Deposition)

: 물질에 이온으로 충격을 준 후 증착하고 싶은 물질에 충격을 주면

  그 물질이 기화되어 웨이퍼 위에 증착되는 방식

 

 

증착 방식 3 > 원자층 증착(Atomic Layer Deposition)

: 극도로 얇게 실리콘 웨이퍼 표면에 따라 등각으로 증착하는 방식

 

 

그리고 원자층 증착 원리의 바탕은

전구체라는 화학 물질과 실리콘 웨이퍼의 표면 반응에 따른다

 

 

전구체를 바꾸면서 여러 층을 쌓는 것이다

 

 

도핑공정은 실리콘에 불순물을 더해서
실리콘의 전기적 특성을 바꾸는 과정이다

 

 

♧ 도핑 공정의 유형

 

도핑 방식 1 >  확산(Diffusion)

: 웨이퍼를 고온으로 가열해서 도펀트가 들어 있는 가스에 노출하는 것

 

 

도펀트가 실리콘 안쪽으로 확산하면서

우리가 의도하는 영역을 만들게 된다

 

도핑 방식 2 > 이온 주입(Ion implantation)

: 거대한 기계가 이온을 가속하는 방식

 

 

붕소, 비소, 인 등의 이온이 있다면

이 이온을 가속해 실리콘 기판에 충돌시켜 집어넣는 것이다

이온 주입 공정은 확산 공정보다 더 정확한 방식이다

농도를 조절할 수 있을 뿐만 아니라

도펀트와 전하의 위치도 조절할 수 있기 때문이다

 

 

6. 배선 공정

 

다음은 수십억 개의 트랜지스터가 소통할 수 있게끔

금속 배선 공정이 필요하다

 

※ 트랜지스터(Transistor)

: 전류나 전압 흐름을 조절하여 증폭하거나 스위치 역할을 하는 반도체 소자

 

 

트랜지스터를 서로 연결할 와이어가 필요하다

이를 위해 금속을 증착하는 과정을 금속 배선 공정이라고 한다

집적 회로에는 다양한 금속이 쓰인다

 

역사적으로 알루미늄이 배선에 쓰여 왔지만

그 역할을 구리가 대체했다

구리는 전기저항이 낫고 잦은 단선문제도 피할 수 있다

질화티타늄(TiN)과 질화탄탈룸(TaN)도 집적 회로에 쓰이고 있다

 

 

웨이퍼 위에 집적 회로를 만들고 나면

사각형 조각으로 잘라낼 차례다

 

 

8. 패키징 공정

 

 

칩의 크기에 따라 수백 개로 조각내기도 한다

'다이'라고 불리는 것들이다

웨이퍼를 잘라서 포장해야 한다

그 다양한 방법의 하나가 기계식 절단이다

레이저 절단과 플라스마 절단 방식도 있다

 

절단 방식 1 > 기계 칼날(Mechanical Blade Dicing)

: 기계적 블레이드 절단으로 상당히 오래된 전통적인 절단 방식

 

절단 방식 2 > 레이저(Laser Dicing)

: 속도가 조금 더 빠르다

 

절단 방식 3 > 플라스마(Plasma Dicing)

: 웨이퍼가 플라스마에 노출돼선 안되기 때문에 웨이퍼를 보호한 후

  반응성 플라스마로 웨이퍼를 절단한다

  매우 정확하고 신속하다

 

 

소자를 패키징 해서 주변 환경과 기계적 응력으로부터

칩이 훼손되는 것을 보호한다

더 나아가 패키징으로 상호 연결은 물론

외부와의 전기적 연결도 가능해진다

 

그중 하나인 2.5D 집적 회로는

다양한 칩을 한데 모은다

 

 

인터포저는 중간 기판으로서

다양한 칩을 서로 연결하고 열 배출도 가능하게 한다

 

 

옆에 있는 그림은 3D 집적 회로를 나타낸다

이 패키징은 쌓아 올리는 방식으로

다수의 칩을 겹겹이 쌓는 것이다

 

그럼 밀도가 무척 높아지고 상호 연결 배선이 훨씬 짧아져서

한층 발전한 첨단 칩을 생산할 수 있다

 

마지막으로 칩을 만든 후에는 집적 회로를 테스트해 봐야 한다

테스트 유형도 다양하다

사양에 따라 작동하는지 확인하는 기능 테스트가 있고

속도와 전력 효율을 시험하는 성능 테스트도 있다

 

파라미터 테스트는 칩의 여러 구성 요소를 검사해서

특정 공정을 잘 따랐는지 확인하는 것이다

 

 

칩의 수명이 오래가야 하니까 신뢰성 테스트도 거친다

스트레스 하에서도 장기간 성능을 유지할 수 있도록

불량 칩을 가려내서 제거하는 것이다

 

일명 수율 분석은 품질 관리의 일환이다

집적 회로 공정 상 어떤 부분에 문제가 있는지 식별하는 절차로

생산 효율성의 향상과 개선이 그 목적이다

 

 

집적 회로 공정 전반은 현대 공학의 진정한 기적이다

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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