전공정·후공정이란? FEOL·BEOL과 패키징·테스트의 ‘후공정’은 무엇이 다를까

공정의 ‘앞’과 ‘뒤’를 나누는 말에는 두 가지 뜻이 있어서 먼저 구분해야 한다. 팹 안에서는 전단 공정(FEOL)이 실리콘 웨이퍼 안에 트랜지스터를 하나하나 만드는 단계이고, 후단 공정(BEOL)은 트랜지스터 위에 금속 배선을 한 층씩 쌓아 회로로 잇는 단계다. 두 단계 모두 팹 안에서 이루어지며, 웨이퍼는 내내 온전한 한 장이다. 산업 전체에서는 ‘전공정’이 웨이퍼 제조 전체를, ‘후공정’이 패키징·테스트를 가리키며, 후공정은 대개 다른 공장에서 한다. 같은 ‘앞’과 ‘뒤’라도 누가 말하는지, 앞뒤에서 무슨 이야기를 하는지 봐야 한다.

팹 안에서 말하는 전단 공정과 후단 공정은 각각 무엇을 할까?

FEOL은 front end of line, BEOL은 back end of line의 줄임말이다. 여기서 line은 생산 라인을 뜻한다. 전단 공정은 생산 라인의 앞쪽 절반, 후단 공정은 뒤쪽 절반이다.

• 전단 공정(FEOL): 실리콘 표면에 트랜지스터, 곧 전기로 켜고 끄는 작은 스위치를 만든다. 대략 소자 분리, 웰, 게이트, 소스와 드레인, 어닐링 순서로 진행되며, 단계별 내용은 ‘트랜지스터 하나는 어떻게 만들어질까?’에서 다룬다.
• 후단 공정(BEOL): 트랜지스터 위에 절연막을 깔고, 홈과 작은 구멍을 파고, 금속을 채운 뒤 평탄하게 연마하는 과정을 한 층씩 반복해 쌓아 올린다. 가장 앞선 칩은 십수 층에 이른다(‘칩 속 배선은 어떻게 만들까?’ 참고).
• 두 단계 사이: 트랜지스터를 위쪽의 첫 번째 배선층으로 잇는 작은 구멍을 콘택트라고 한다. 콘택트는 마침 경계에 걸쳐 있어서 전단 공정으로 치기도 하고 후단 공정으로 치기도 하며, 따로 ‘중간 공정’(MOL, middle of line)이라고 부르는 사람도 있다.

왜 둘로 나눌까? 왜 반드시 트랜지스터를 먼저 만들까?

이유는 두 가지, 열과 금속이다.

열: 전단 공정에는 퍼니스에서 산화막을 성장시키거나, 웨이퍼를 가열해 주입한 원자를 제자리에 앉히는 단계처럼 1,000℃가 넘는 공정이 있다. 금속 배선은 이런 온도를 견디지 못한다. 금속이 올라간 뒤에는 이후 공정의 온도가 대부분 400℃ 안팎을 넘지 못한다. 그래서 고온이 필요한 일을 먼저 모두 마친 다음에 금속을 깐다. 순서를 거꾸로 해서 배선을 먼저 만들면, 고온에서 금속이 실리콘과 반응해 배선과 트랜지스터가 모두 망가진다.

금속: 전단 공정은 금속을 매우 꺼린다. 구리나 철 같은 금속이 웨이퍼에 묻으면 눈에 보이지 않지만, 고온의 퍼니스에 들어가면 실리콘 속으로 파고들어 트랜지스터에 누설 전류가 생기게 한다. 퍼니스는 한 번에 웨이퍼를 100장 넘게 넣기 때문에, 그 퍼니스에 함께 들어간 웨이퍼 전체가 영향을 받을 수 있다. 그래서 금속, 특히 구리가 들어오는 순간 팹은 선을 긋는다. 금속 공정을 거친 웨이퍼는 다시 전단 공정 장비로 돌아가지 않고, 장비와 웨이퍼 박스도 양쪽을 나눠 쓴다. ‘칩 속 배선은 어떻게 만들까?’에 이 선만 따로 다룬 절이 있다.

웨이퍼 한 장은 전단 공정에서 후단 공정까지 어떻게 진행될까?

아래는 큰 순서다. 각 단계는 무엇을 하는지, 왜 하는지, 하지 않으면 어떻게 되는지만 적었고, 자세한 내용은 링크한 글에 있다.

1. 웨이퍼 투입, 소자 분리(전단 공정): 웨이퍼 한 로트를 생산 라인에 올리고(웨이퍼 투입), 먼저 실리콘에 얕은 홈을 파고 절연물로 채워 트랜지스터 하나하나의 자리를 갈라 놓는다. 갈라 놓지 않으면 이웃한 트랜지스터끼리 전류가 샌다.
2. 웰, 게이트, 소스·드레인(전단 공정): 원자를 주입해 n형과 p형 바탕을 만들고, 게이트를 만든 뒤, 전류가 들어오고 나가는 입구와 출구를 주입으로 만든다. 이 단계들이 스위치의 성능을 좌우한다. 잘못 주입한 원자는 다시 꺼낼 수 없다.
3. 어닐링(전단 공정): 가열해서 주입한 원자를 있어야 할 자리에 앉힌다. 전체 경로에서 가장 뜨거운 단계 가운데 하나라서, 금속이 올라가기 전에 끝내야 한다.
4. 콘택트(중간 공정): 절연막을 한 층 덮고, 아래의 트랜지스터까지 작은 구멍을 파서 금속을 채운다. 구멍이 어긋나면 단락이 생기고, 바닥까지 파지 못하면 연결되지 않는다. 콘택트를 채운 뒤에는 웨이퍼가 전단 공정과 같은 고온 단계에 다시 들어가지 않는다.
5. 한 층씩 쌓는 배선(후단 공정): 층마다 절연막을 깔고, 홈과 비아(위아래 두 층 사이의 작은 구멍)를 파고, 구리를 채우고, CMP로 평탄하게 연마한 뒤 다음 층을 쌓는다. 배선이 너무 많아 한 층에 다 들어가지 않으며, 연결하지 않으면 트랜지스터는 서로 떨어진 스위치일 뿐이다.
6. 보호막(후단 공정의 마지막): 맨 위를 보호막으로 덮고, 외부와 연결하는 금속 패드 위에만 창을 낸다. 보호막이 없으면 맨 위 배선이 그대로 드러나 습기와 오염에 약해진다. 그 뒤에는 스크라이브 라인의 테스트 구조를 측정해 이 로트가 제대로 만들어졌는지 확인한다(‘WAT란?’ 참고).
7. 팹을 나와 산업에서 말하는 후공정으로: 웨이퍼는 웨이퍼 테스트, 얇게 갈기, 다이싱, 패키징, 파이널 테스트로 넘어간다. 웨이퍼가 처음으로 잘리는 것은 이때다(‘웨이퍼는 어떻게 칩 하나하나로 자를까?’ 참고).

산업에서 말하는 전공정과 후공정은 또 무엇일까?

산업 전체를 이야기할 때 ‘전공정’은 웨이퍼 위에 회로를 만드는 일로, 트랜지스터와 배선이 모두 들어간다. 곧 팹이 하는 일 전부다. ‘후공정’은 패키징과 테스트다. 웨이퍼 위의 칩을 테스트하고, 잘라 내고, 패키지로 감싼 뒤 한 번 더 테스트한다(‘패키징이란?’, ‘칩은 어떻게 테스트할까?’ 참고).

두 공정은 서로 다른 공장에서 하는 경우가 많다. 팹이 전공정을, 후공정 업체가 후공정을 맡는다(‘OSAT란?’ 참고). 경계가 칼로 자른 듯 분명한 것도 아니다. 웨이퍼 테스트는 팹에서 하기도 하고 후공정 공장에서 하기도 하며, 일부 첨단 패키징 공정은 쓰는 장비와 방법이 팹과 매우 비슷하다(“뉴스에 나오는 ‘첨단 패키징’이란?” 참고).

일본어에서 말하는 ‘전공정’과 ‘후공정’도 대개 이 뜻이다. 전공정은 웨이퍼 제조, 후공정은 조립과 테스트다. 일본어에서는 전공정을 다시 둘로 나눠 앞부분을 ‘기판 공정’, 뒷부분을 ‘배선 공정’이라고 부르기도 하는데, 이것이 바로 FEOL과 BEOL에 해당한다. 영어 뉴스에서 말하는 front end, back end도 이 뜻인 경우가 많다.

상대가 말하는 것이 어느 쪽인지 어떻게 구별할까?

	팹 안의 용법	산업 전체의 용법
앞쪽	실리콘에 트랜지스터를 만든다(전단 공정, FEOL)	웨이퍼 제조 전체(전공정)
뒤쪽	그 위에 금속 배선을 만든다(후단 공정, BEOL)	패키징과 테스트(후공정)
하는 곳	둘 다 팹	전공정은 팹, 후공정은 흔히 후공정 업체
웨이퍼	내내 온전한 한 장	후공정에서 잘린다
영어	FEOL, BEOL	front end, back end
일본어	FEOL(기판 공정), BEOL(배선 공정)	전공정, 후공정

몇 가지 간단한 단서가 있다.

• ‘of line’이 붙었는가: FEOL, BEOL이라고 쓰면 거의 언제나 팹 안의 구분이다.
• 주변 단어: 비아, 금속층, 콘택트가 나오면 팹 안의 후단 공정이고, 패키징, 와이어 본딩, 다이싱, 후공정 업체가 나오면 산업에서 말하는 후공정이다.
• 웨이퍼가 잘렸는가: 아직 웨이퍼 한 장 위에서, 팹의 클린룸 안에서 하는 일이라면 BEOL이다. 칩 하나하나를 이야기한다면 후공정이다.
• 누가 말하는가: 팹 안의 엔지니어끼리 말하는 뒤쪽 공정은 배선을 가리킬 때가 많고, 뉴스나 산업 보고서에서 말하는 뒤쪽 공정은 패키징과 테스트를 가리킬 때가 많다.

fab24hr에서는

fab24hr에서 ‘출근’을 누르고 ‘직장인의 하루’를 고르면, ‘오늘 나는’ 카드 맨 위에 있는 개발 라인, 양산 팹, 후공정 공장은 서로 다른 세 곳의 공장이다. 양산 팹은 산업에서 말하는 전공정을, 후공정 공장은 후공정을 한다. 메인 스토리 ‘칩의 일생’도 이 길을 그대로 따라간다. 제2막은 양산 팹, 제3막(챕터 10~12)은 후공정 공장이 무대다.

팹 안의 전단 공정은 메인 스토리 챕터 2 ‘한 공정씩’에서 가장 잘 보인다. 초도 로트 12장을 따라 소자 분리와 웰을 만들고, 챕터 끝에는 “이건 아직 전공정의 맨 앞 구간일 뿐이다.”라는 문장이 나온다. 그 뒤로도 게이트, 소스·드레인, 콘택트, 금속 배선까지 수백 단계가 남아 있다.

양산 팹에는 ‘전공정 구역’ 표지판이 걸린 구역도 있다. 퍼니스, 세정, 이온 주입, 박막, CMP가 모두 이곳에 있다. ‘오늘 나는’ 카드에서 ‘양산 팹’을 누르고 좌우로 넘겨 공정 엔지니어로 간 다음 이름 아래의 ‘세정’을 누르면 세정 공정 엔지니어가 된다. 이 한 구역 안에서도 팹의 전단과 후단이 갈린다. 내가 맡은 WET-05는 퍼니스 앞에 있고, 오후 근무에는 표면 금속을 측정한 보고서가 들어온다. 저녁 근무에는 CMP 쪽에서 전화가 오는데, 금속 배선이 드러난 웨이퍼는 금속층을 만든 뒤에만 쓰는 전용 세정 장비 WET-07로 보내야 하고 WET-05에는 넣을 수 없다. 도감의 ‘장비 목록’에서 웨이퍼 프로버를 분해해 보면 웨이퍼 칸에 ‘전공정을 모두 마친 웨이퍼’라고 적혀 있다. 여기서 말하는 전공정은 산업에서 말하는 쪽이다.

게임 속 회사, 인물, 장비 번호, 로트 번호는 모두 가상이다. 전공정과 후공정을 어떻게, 왜 나누는지는 공개된 일반 자료를 바탕으로 썼으며 단순화했다. 다른 업계 용어는 ‘반도체 공장 전문 용어, 쉬운 말로 풀이’에서 찾아볼 수 있다.