칩은 어떻게 만들까: 한 층씩 쌓아 올려요
칩은 한 번에 만들어지지 않아요. 웨이퍼 위에 한 층씩 쌓아 올려요. 층마다 패턴을 찍고, 그대로 깎고, 새 막을 입히고, 평평하게 갈고, 깨끗이 씻는 과정을 수십 번 되풀이해요. 이 분류에서는 공정을 하나씩 다뤄요. 무슨 일을 하는지, 왜 어려운지요.
칩은 어떻게 만들어질까? 반도체 공정 순서 한눈에 보기
칩을 만드는 과정: 먼저 실리콘으로 둥근 웨이퍼를 만들고, 팹에서 막을 쌓고, 패턴을 찍고, 식각하고, 평탄하게 연마하는 일을 수십 번 반복해 트랜지스터와 배선을 만든다. 이어서 웨이퍼 테스트, 다이싱, 패키징, 파이널 테스트를 거쳐야 사용자의 손에 닿는다. 이 과정을 순서대로 한 단계씩 쉽게 설명하고 공정 흐름표도 함께 실었다.
반도체 공장의 7개 공정 구역은 각각 무슨 일을 할까?
반도체 공장의 전공정은 흔히 몇 개의 공정 구역으로 나뉜다. 포토는 패턴을 찍고, 식각은 패턴대로 깎아 내고, 박막은 새 층을 입히고, CMP는 평평하게 연마하고, 퍼니스는 고온으로 가열하고, 이온 주입은 원자를 쏘아 넣고, 세정은 표면을 깨끗이 씻는다. 구역마다 하는 일을 쉽게 설명하고, 웨이퍼 한 장이 이 구역들을 오가며 백 단계가 넘는 공정을 거치는 과정도 소개한다.
포토리소그래피(포토 공정)란? 칩의 패턴은 어떻게 ‘찍어’ 낼까
포토리소그래피(photolithography)는 대만 팹에서 흔히 ‘노란 빛’이라 부르는 공정으로, 빛을 이용해 회로 패턴을 웨이퍼에 ‘찍는’ 단계다. 포토레지스트를 바르고, 포토마스크를 통해 노광하고, 현상한 뒤, 그 패턴대로 식각하거나 이온 주입을 가린다. 단계마다 무엇을 하는지, 왜 한 층씩 수십 번 되풀이하는지, 층마다 어떻게 정렬하는지, 얼마나 가늘게 찍을 수 있는지가 무엇에 달렸는지 쉽게 설명한다.
포토 구역은 왜 노란색일까?
팹의 포토 구역(리소그래피 구역) 조명이 노란색인 것은 보기 좋으라고도, 눈을 보호하려고도 아니다. 웨이퍼에 바른 포토레지스트를 보호하기 위해서다. 포토레지스트는 자외선과 청색광에 반응한다. 포토 공정이 무엇을 하는지, 왜 노란색인지, 왜 아예 불을 끄지 않는지 쉽게 설명한다.
식각이란? 건식 식각과 습식 식각은 무엇이 다를까
식각(etching)은 포토 공정에서 찍은 패턴대로, 웨이퍼 위에서 포토레지스트로 덮이지 않은 재료를 깎아 내는 공정이다. 습식 식각은 약액에 담가 옆으로도 깎이고, 건식 식각은 진공 챔버에서 플라즈마를 써서 아래로 곧게 깎을 수 있다. 두 방식의 차이, 어디서 멈추는지, 선택비가 무엇인지, 잘못 깎으면 왜 되돌리기 어려운지 쉽게 설명한다.
박막 공정이란? 칩은 어떻게 한 층씩 ‘쌓아’ 올릴까
박막 공정(박막 증착)은 웨이퍼 위에 새로운 재료를 한 층 입히는 단계로, 절연막도 있고 도전막도 있으며 두께는 대개 수 nm에서 수백 nm에 불과하다. 흔히 쓰는 세 가지 방식인 화학기상증착(CVD), 물리기상증착(PVD, 스퍼터링), 원자층 증착(ALD)이 어떻게 다른지, 두께는 왜 균일해야 하는지, 막 속에 왜 파티클이 있으면 안 되는지, 증착한 뒤에는 왜 또 평탄화하는지 쉽게 설명한다.
팹은 공정이 제대로 됐는지 어떻게 알까? 계측과 검사의 차이
팹은 중요한 공정을 마칠 때마다 제대로 됐는지 확인한다. ‘계측’은 막이 얼마나 두꺼운지, 선이 얼마나 넓은지, 위아래 두 층이 얼마나 정확히 겹치는지를 재고, ‘검사’는 웨이퍼 전체를 훑어 더 생기거나 빠진 것을 찾는다. 둘의 차이, 흔히 쓰는 측정 방법(빛, 전자 현미경, 옆 칩과의 비교), 모든 웨이퍼를 재지 않는 이유, 측정값을 어떻게 쓰는지 쉽게 설명한다.
CMP란? 웨이퍼를 왜 평평하게 갈아야 할까
CMP는 화학적 기계 연마(평탄화)다. 슬러리가 웨이퍼 표면을 무르게 하고 회전하는 연마 패드가 표면을 평평하게 간다. 층을 쌓을수록 표면이 울퉁불퉁해지는데 노광 장비의 초점 범위는 매우 얕아서, 평탄화하지 않으면 다음 층이 선명하게 찍히지 않는다. 어떻게 갈고 어디서 멈추는지, 흔한 문제와 연마 후 세정이 꼭 필요한 이유를 설명한다.
퍼니스는 무슨 일을 할까? 산화와 어닐링이란
퍼니스는 팹의 고온로로, 한 번에 100장 넘는 웨이퍼를 석영 선반에 세워 대개 800~1,200도인 긴 관 속에 넣고 가열한다. 퍼니스가 가장 많이 하는 두 가지 일인 열산화(건식 산화와 습식 산화의 차이)와 어닐링(주입한 원자가 전기를 통하게 하는 일)을 쉽게 설명하고, 온도가 왜 아주 균일해야 하는지, 왜 ‘열 예산’이라는 것이 있는지도 다룬다.
이온 주입이란? 팹은 어떻게 원자를 실리콘에 ‘쏘아’ 넣을까
이온 주입(이온 임플란테이션)은 붕소, 인 같은 원자를 전하를 띤 이온으로 만들고 전기장으로 가속해 실리콘 웨이퍼에 쏘아 넣는 도핑 방법으로, 어느 작은 영역에 전기가 얼마나 통할지를 정한다. 에너지와 도즈, 포토레지스트로 막는 방법, 주입 뒤에 가열하는 이유, 잘못 주입하면 되돌릴 수 없는 이유를 쉽게 설명한다.
웨이퍼 세정이란? 왜 그렇게 여러 번 씻을까
웨이퍼 세정(습식 세정)은 칩을 만드는 단계와 단계 사이에 약액과 초순수로 웨이퍼 표면의 파티클, 유기물, 금속, 자연 산화막을 씻어 내는 공정이다. 무엇을 씻어 내는지, 왜 거의 모든 단계의 앞뒤에서 세정하는지, 조마다 담그는 배치식과 한 장씩 분사하는 매엽식은 어떻게 씻는지, 왜 너무 오래 씻어도 안 되는지 쉽게 설명한다.
WAT란? 웨이퍼 맵으로 어디가 잘못됐는지 알아내는 법
WAT(Wafer Acceptance Test)는 웨이퍼 공정이 끝났을 때 스크라이브 라인에 측정용으로 남겨 둔 TEG를 측정해 이 로트가 제대로 만들어졌는지 보는 테스트이고, 웨이퍼 맵은 웨이퍼 테스트 후 칩 하나하나의 양불을 위치대로 그린 그림이다. 불량이 원형, 한쪽, 선, 가지런한 격자로 늘어서면 저마다 다른 문제를 가리키는 경우가 많다. 두 결과를 읽는 법을 쉽게 정리했다.
웨이퍼 한 장 만드는 데 얼마나 걸릴까? 사이클 타임은 왜 몇 달이나 될까
웨이퍼 한 장은 투입부터 완성까지 몇 주에서 몇 달이 걸린다. 업계에서는 흔히 평균 3개월 정도라고 하며, 첨단 공정일수록 더 오래 걸린다. 이 기간을 사이클 타임(cycle time)이라 한다. 장비 안에서 실제로 가공되는 시간은 일부에 불과하고, 대부분은 장비 차례와 반송, 계측을 기다리는 시간이다. 시간이 어디에 쓰이는지, 왜 그렇게 오래 줄을 서는지, ‘이론 시간의 몇 배’가 무슨 뜻인지, 사이클 타임을 줄이면 무엇이 좋은지 쉽게 설명한다.
도핑이란? n형, p형 반도체로 어떻게 ‘평소에는 꺼져 있는’ 스위치를 만들까
도핑은 아주 순수한 실리콘에 다른 원자를 극히 조금 일부러 넣는 것이다. 인을 넣으면 움직이는 전자가 남는 n형, 붕소를 넣으면 빈자리(정공)가 생기는 p형이 된다. 순수한 실리콘이 왜 전기가 거의 통하지 않는지, n형과 p형의 차이, 트랜지스터가 평소에는 꺼져 있다가 게이트에 전압을 걸어야 켜지는 이유, 팹의 도핑 방법과 잘못 도핑했을 때 생기는 일을 쉽게 설명한다.
트랜지스터 하나는 어떻게 만들어질까? 소자 분리부터 첫 금속층까지 단계별로 보기
트랜지스터 하나는 이 순서로 만든다. 얕은 트렌치를 파서 자리를 분리하고, 원자를 주입해 n형과 p형 웰을 만들고, 아주 얇은 절연막을 키워 게이트를 만들고, 게이트를 가림막 삼아 소스와 드레인을 주입하고, 어닐링한 뒤, 작은 구멍을 파서 금속을 채워 첫 금속 배선에 연결한다. 가장 단순한 평면 트랜지스터로 단계마다 거치는 공정 구역과 전단·후단 공정이 나뉘는 지점을 설명한다.
칩 속 배선은 어떻게 만들까? 비아, 구리, 그리고 먼저 홈을 파고 채우는 이유
칩의 트랜지스터는 그 위에 한 층씩 쌓은 금속 배선으로 연결되며, 가장 앞선 칩은 10여 층에 이른다. 팹에서는 이 구간을 ‘후단 공정’(BEOL)이라 부른다. 절연막 증착, 홈과 비아 식각, 배리어층 증착, 전기 도금으로 구리 채우기, CMP 평탄화를 단계별로 설명하고, 구리는 왜 먼저 홈을 파고 채우는지(다마신), 구리가 닿은 장비는 왜 전단 공정과 분리하는지도 다룬다.
포토레지스트란? 포지티브 PR과 네거티브 PR은 무엇이 다를까
포토레지스트(photoresist, PR)는 웨이퍼 위에 바르는, 빛을 받으면 성질이 바뀌는 감광성 박막으로 필름의 감광층과 비슷하다. 포지티브 PR은 빛을 받은 곳이 씻겨 나가고, 네거티브 PR은 반대로 빛을 받은 곳이 남는다. 포토레지스트가 무엇으로 이루어지는지, 두 종류가 각각 어디에 쓰이는지, 그리고 프라이밍, 스핀 코팅, 베이크, 노광, 노광 후 베이크, 현상, 제거까지 각 단계를 왜 그렇게 하는지 쉽게 설명한다.
오버레이란? 칩의 위아래 층은 왜 정렬해야 하나
오버레이(overlay)는 칩의 한 층 패턴이 바로 아래층과 얼마나 정확히 맞는지를 말한다. 노광 장비가 정렬 마크를 찾는 방법, 현상 후 어긋난 정도를 재는 방법, 어긋남의 유형, 너무 어긋났을 때 다시 하는 방법, 그리고 측정한 오차를 노광 장비에 넘겨 다음 로트에서 미리 보정하는 과정을 한 단계씩 쉽게 설명한다.
플라즈마란? 팹은 왜 플라즈마로 식각할까
플라즈마는 기체가 전기 에너지로 ‘쪼개진’ 상태로, 분자의 일부가 이온과 전자가 되고 매우 활발한 조각도 많이 생긴다. 팹은 저압 챔버에 가스를 넣고 고주파 전력을 걸어 플라즈마를 만든다. 조각은 화학 반응을, 아래로 끌려가는 이온은 충돌을 맡아 곧고 가늘게 식각된다. 플라즈마 식각의 단계, 웨이퍼 뒷면에 헬륨을 흘리는 이유, 장비가 식각 종료를 아는 방법을 단계별로 설명한다.
포토마스크란? 어떻게 만들고, 한 세트는 왜 그렇게 비쌀까
포토마스크(photomask)는 노광에 쓰는 ‘필름’으로, 회로 패턴이 그려진 석영판이다. 노광 장비는 이 판을 통해 패턴을 축소해 웨이퍼에 찍는다. 칩의 층마다 적어도 한 장이 필요해 한 세트는 흔히 수십 장에 이른다. 설계 파일 보정, 전자빔으로 한 획씩 그리는 묘화, 식각, 검사와 수리, 펠리클 부착까지 포토마스크 제작 과정을 단계별로 설명하고, 한 세트가 왜 그렇게 비싼지도 다룬다.
OPC란? 포토마스크의 패턴은 왜 칩의 패턴과 다를까
OPC(광학 근접 보정)는 포토마스크의 패턴을 일부러 ‘비틀어’ 그리는 것이다. 모서리에 작은 사각형을 붙이고, 선 끝을 늘리고, 옆에 찍히지 않는 가는 선을 더해, 웨이퍼에 찍힌 패턴이 오히려 설계에 가까워지게 한다. 찍힌 패턴이 왜 변형되는지, OPC를 단계별로 어떻게 하는지, 왜 대량의 컴퓨터로 계산해야 하는지 쉽게 설명한다.
에피택시란? 웨이퍼 위에 가지런히 배열된 실리콘 층은 어떻게 자랄까
에피택시(epitaxy, 줄여서 에피)는 웨이퍼 위에 새로운 결정층을 키우는 것이다. 새 원자가 아래 웨이퍼의 배열을 따라 쌓여 아래와 똑같이 가지런하게 자란다. 에피택시의 원리, 일반 박막 증착과의 차이, 단계별 성장 과정, 그리고 에피 웨이퍼, 전력 소자, LED, 최첨단 트랜지스터에 왜 필요한지 쉽게 설명한다.
193nm 빛으로 어떻게 수십 nm 선을 찍을까? 액침 노광과 멀티 패터닝
노광 장비가 흔히 쓰는 심자외선의 파장은 193nm인데, 칩에서 가장 가는 선은 수십 nm에 불과하다. 얼마나 가늘게 찍을 수 있는지가 무엇에 달려 있는지(파장과 개구수), 액침 노광은 왜 렌즈와 웨이퍼 사이에 물 한 층을 넣는지, 단계마다 무엇을 주의해야 하는지, 멀티 패터닝은 한 층을 어떻게 두세 번에 나눠 만드는지와 그 대가를 쉽게 설명한다.
전공정·후공정이란? FEOL·BEOL과 패키징·테스트의 ‘후공정’은 무엇이 다를까
공정의 ‘앞’과 ‘뒤’를 나누는 말에는 두 가지 뜻이 있다. 팹 안에서는 전단 공정(FEOL)이 실리콘에 트랜지스터를 만드는 단계, 후단 공정(BEOL)이 그 위에 금속 배선을 만드는 단계다. 산업 전체에서는 전공정이 웨이퍼 제조, 후공정이 패키징과 테스트다. 두 가지가 각각 무엇을 가리키는지, 왜 반드시 트랜지스터를 먼저 만드는지, 상대가 말하는 것이 어느 쪽인지 구별하는 법을 쉽게 설명한다.
실리콘 웨이퍼는 어떻게 만들까? 모래에서 연마된 웨이퍼 한 장까지
실리콘 웨이퍼 제조 공정. 모래 속 이산화규소를 실리콘으로 환원해 9가 아홉 개 이상인 순도로 정제하고, 녹인 뒤 작은 시드 결정을 액면에 살짝 담갔다가 돌리면서 천천히 끌어올려 단결정 잉곳을 키운다. 이어 외경을 연삭하고, 얇게 자르고, 평평하게 갈고, 식각하고, 거울처럼 연마한 뒤 세정과 검사를 거쳐 팹으로 보낸다. 단계마다 무엇을, 왜 하는지 쉽게 설명한다.
리워크란? 왜 포토 공정은 다시 할 수 있는데 식각은 안 될까
리워크(rework)는 팹에서 제대로 되지 않은 공정을 다시 하거나 덜 된 부분을 마저 하는 것이다. 가장 자주 리워크하는 곳은 포토 공정이다. 포토레지스트는 임시 형판일 뿐이어서 식각 전이라면 벗겨 내고 다시 도포, 노광, 현상할 수 있지만, 식각과 이온 주입은 웨이퍼 자체를 바꾸므로 되돌릴 수 없다. 포토 공정을 어떻게 리워크하는지 한 단계씩 설명하고, 리워크의 대가도 다룬다.
High-k 금속 게이트란? 트랜지스터의 게이트는 왜 재료를 바꿨을까
High-k 금속 게이트(HKMG)는 트랜지스터 게이트를 만드는 방식의 하나로, 게이트 아래의 아주 얇은 이산화규소 절연막을 유전율이 높은 재료(예를 들어 하프늄을 함유한 산화물)로 바꾸고, 게이트도 폴리실리콘에서 금속으로 바꾼다. 이산화규소가 원자 몇 층 두께로 얇아지면 왜 누설 전류가 생기는지, High-k는 왜 조금 두껍게 만드는 편이 오히려 나은지, 게이트를 먼저 만드는 방법과 나중에 만드는 방법을 단계별로 쉽게 설명한다.
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