트랜지스터 하나는 어떻게 만들어질까? 소자 분리부터 첫 금속층까지 단계별로 보기

트랜지스터 하나는 실리콘 웨이퍼 표면에 이 순서로 만들어진다. 얕은 트렌치를 파고 절연물을 채워 트랜지스터를 하나하나 떼어 놓고(소자 분리), 원자를 주입해 n형, p형 바탕을 만들고(웰), 아주 얇은 절연막을 키워 게이트를 만들고, 게이트를 가림막 삼아 양옆에 소스와 드레인을 주입하고, 가열해 원자를 제자리에 앉히고(어닐링), 절연막을 덮은 뒤 작은 구멍을 파서 금속을 채워(콘택트) 첫 번째 금속층에 연결한다. 대부분의 단계에서 여러 공정 구역을 거친다.

이 글은 가장 단순한 ‘평면’ 트랜지스터로 원리를 설명한다. 단순화한 것이므로 실제 공정에는 단계가 더 많다. 트랜지스터 자체가 무엇인지는 먼저 트랜지스터란?을 읽어 보자.

완성된 트랜지스터를 잘라 보면 어떤 모습일까?

완성된 칩을 옆에서 잘라 보면, 아래에서 위로 대략 다음과 같다.

• 실리콘 안: p형, n형 웰이 나란히 있고, 트랜지스터 사이사이에 절연물로 채운 얕은 트렌치가 묻혀 있다.
• 트랜지스터 하나하나: 게이트 한 줄이 아주 얇은 절연막 위에 놓여 있고, 게이트 양옆의 실리콘이 소스(입구)와 드레인(출구)이다.
• 실리콘 위: 두꺼운 절연막 속에 작은 금속 기둥이 하나하나 꽂혀 있어, 아래로는 트랜지스터에, 위로는 첫 번째 금속 배선에 연결된다.

두 종류의 트랜지스터 가운데 하나는 p형 웰 안에, 다른 하나는 n형 웰 안에 놓이며, 둘을 한 쌍으로 묶어 쓴다(CMOS란? 참고).

왜 한 번에 만들 수 없을까? 패턴을 한 번 찍으면 한 바퀴를 돈다

팹은 웨이퍼의 작은 한 부분에만 작업할 수 없다. 막을 키우는 것도, 이온 주입도 웨이퍼 전체에 한꺼번에 한다. 어떤 일이 특정한 곳에서만 일어나게 하려면 먼저 ‘틀’을 찍어야 하고, 그러려면 한 바퀴를 돌아야 한다.

1. 재료를 한 층 키운다(박막이나 퍼니스). 필요하면 CMP로 평평하게 간다.
2. 포토 구역에서 포토레지스트를 바르고, 포토마스크를 통해 노광하고, 현상해 포토레지스트에 패턴을 찍는다. 잘못 찍었으면 씻어 내고 다시 할 수 있다.
3. 포토레지스트 패턴을 따라 식각하거나, 포토레지스트로 가린 채 이온 주입을 한다.
4. 포토레지스트를 제거하고, 세정하고, 측정한다.

2000년에 나온 한 대학 교과서는 단순화한 CMOS 공정 흐름으로 가르치는데, 두 번째 금속층까지 만드는 데만 포토마스크 십여 장과 백 개가 넘는 단계가 필요하다. 지금 실제로 양산하는 칩은 훨씬 많다. 웨이퍼 한 장이 포토 구역에 수십 번 돌아가고, 모두 합치면 수백 개의 단계가 된다. 각 구역이 무슨 일을 하는지는 반도체 공장의 7개 공정 구역은 각각 무슨 일을 할까?에서 다룬다.

트랜지스터는 어떻게 만들까? 일곱 단계

1단계: 소자 분리, 트랜지스터 사이에 트렌치를 파고 절연물을 채운다

• 하는 일: 먼저 바탕이 되는 얇은 산화막을 키우고, 그 위에 아주 단단한 실리콘 질화막을 덮는다. 트랜지스터를 만들 자리를 패턴으로 찍어 남기고, 나머지 부분은 실리콘 속으로 얕은 트렌치를 파서 산화물로 가득 채운다. 평평하게 간 뒤 실리콘 질화막을 벗겨 낸다.
• 이유: 트랜지스터가 아주 빽빽하게 들어서 있으므로, 사이사이에 절연 벽이 있어야 전기가 옆으로 새지 않는다.
• 그러지 않으면: 이웃한 트랜지스터끼리 누설 전류가 흘러, 스위치가 깔끔하게 꺼지지 않는다.
• 거치는 구역: 세정, 퍼니스, 박막, 포토, 식각, CMP. 첫 단계에서만 여섯 구역을 거친다.

2단계: 웰, 원자를 주입해 n형, p형 바탕을 만든다

• 하는 일: 포토레지스트로 절반을 가리고 인을 주입해 n형 웰을 만든다. 틀을 바꿔 붕소를 주입해 p형 웰을 만든 뒤, 퍼니스에 넣어 가열한다.
• 이유: 입구와 출구가 n형인 트랜지스터는 p형 웰 안에 놓여야 하고, p형 트랜지스터는 그 반대다. 사이에 반대 형의 실리콘이 있어 평소에는 전기가 통하지 않고, 게이트의 전압으로 열어 줘야 한다(도핑이란? 참고).
• 그러지 않으면: 반대 형의 웰이 없으면 입구와 출구 사이가 평소에도 통해 있어 스위치가 꺼지지 않는다. 잘못 주입하면 스위치가 설계대로 동작하지 않고, 주입한 원자는 다시 빼낼 수 없다.
• 거치는 구역: 포토, 주입, 세정, 퍼니스.

3단계: 게이트, 아주 얇은 절연막 위에 게이트 한 줄

• 하는 일: 퍼니스에서 아주 얇은 산화막을 키워 절연막으로 삼고, 전기가 통하는 폴리실리콘(다결정 실리콘)을 한 층 깐 다음, 게이트를 한 줄 한 줄 패턴으로 찍고 나머지 부분은 식각해 없앤다.
• 이유: 게이트는 절연막을 사이에 두고 전압으로 아래의 채널을 제어해야 한다. 이 선을 얼마나 넓게 찍느냐가 대체로 입구와 출구 사이의 거리가 되므로, 이 층은 특히 가늘고 정확하게 찍어야 한다.
• 그러지 않으면: 절연막이 너무 얇으면 누설 전류가 생기고, 너무 두꺼우면 스위칭이 느려진다. 게이트 선이 너무 넓으면 스위칭이 느려지고, 너무 좁으면 꽉 꺼지지 않는다.
• 거치는 구역: 세정, 퍼니스, 박막, 포토, 식각.

4단계: 소스와 드레인, 게이트가 스스로 가림막이 된다

• 하는 일: 포토레지스트로 다른 종류의 트랜지스터를 가리고, 게이트 양옆의 실리콘에 원자를 주입한다. 게이트가 바로 아래를 가리므로, 주입된 입구와 출구는 게이트 양옆에 딱 붙어서 생긴다. 이를 자기 정렬(self-aligned)이라고 한다.
• 이유: 패턴을 따로 찍어 맞추면 언제나 조금은 어긋난다. 게이트가 스스로 가림막이 되게 하면 반드시 정렬된다. 이 아이디어는 1960년대에 이미 나왔다.
• 그러지 않으면: 어긋나게 맞춰지면 입구나 출구와 채널 사이에 틈이 남아 전기가 통하지 않는다.
• 거치는 구역: 포토, 주입. 많은 공정에서는 먼저 얕게 한 번 주입하고, 게이트 양옆에 절연 측벽을 한 겹 두른 뒤 더 깊게 주입해, 채널에 가까운 부분은 농도를 낮춰 더 오래 견디게 한다. 이때는 박막과 식각도 거친다.

5단계: 어닐링, 가열해 원자를 제자리에 앉힌다

• 하는 일: 웨이퍼를 가열해 주입된 원자가 실리콘 원자의 자리에 들어가게 하고, 부딪혀 흐트러진 배열도 다시 가지런하게 한다.
• 이유: 막 주입된 원자는 대부분 틈새에 끼어 있어 아직 전기를 통하게 하지 못한다.
• 그러지 않으면: 열이 부족하면 면저항이 높게 나온다. 너무 오래 가열하면 원자가 옆으로 퍼져, 방금 맞춘 모양이 뭉개진다. 그래서 몇 초만 가열하는 빠른 방식을 자주 쓰며, 가열은 할 때마다 모두 열 예산(thermal budget)에 더해진다.
• 거치는 구역: 퍼니스, 또는 한 번에 한 장씩 빠르게 가열하는 장비(퍼니스는 무슨 일을 할까? 참고).

6단계: 콘택트, 절연막을 덮고 작은 구멍을 파서 금속을 채운다

• 하는 일: 두꺼운 절연막을 덮고 평평하게 간 다음, 작은 구멍을 패턴으로 찍어 소스, 드레인, 게이트까지 파 내려간다. 이것이 콘택트다. 아주 얇은 배리어층을 깔고 텅스텐 같은 금속으로 가득 채운 뒤, 구멍 밖으로 넘친 부분을 갈아 낸다.
• 이유: 위쪽 배선은 연결해야 할 몇 지점에서만 트랜지스터에 닿아야 하고, 나머지는 모두 떨어져 있어야 한다.
• 그러지 않으면: 구멍이 바닥까지 파이지 않았거나 다 채워지지 않으면 저항이 높아지거나 아예 전기가 통하지 않는다. 구멍이 어긋나 게이트에 닿으면 단락이 생긴다. 그래서 층마다 아래층에 맞춰 정렬해야 한다(오버레이).
• 거치는 구역: 박막, CMP, 포토, 식각, 세정.

7단계: 첫 번째 금속층, 콘택트를 이어 회로로 만든다

• 하는 일: 절연막을 한 층 더 덮고, 배선 모양의 트렌치를 파서 금속을 채우고 평평하게 간다.
• 이유: 배선으로 콘택트를 이어야 두 종류의 스위치가 한 쌍을 이루고, 여러 스위치가 모여 계산하는 회로가 된다.
• 그러지 않으면: 트랜지스터를 아무리 잘 만들어도 연결하지 않으면 하나하나 떨어져 있는 스위치일 뿐이다. 그 위로 한 층씩 쌓아 올리는 배선은 칩 속 배선은 어떻게 만들까?에서 다룬다.
• 거치는 구역: 박막, 포토, 식각, CMP, 세정.

전단 공정과 후단 공정은 어디서 나뉠까?

팹에서는 이 과정을 흔히 둘로 나눈다. 실리콘 안에 트랜지스터를 만드는 1~5단계를 전단 공정(FEOL, front end of line), 그 위에 금속 배선을 만드는 7단계부터를 후단 공정(BEOL, back end of line)이라고 한다. 6단계 콘택트는 마침 경계에 걸쳐 있어 전단으로 치기도 하고 후단으로 치기도 하며, ‘중간 공정’이라고 부르는 사람도 있다. 전단 공정에는 1,000℃에 이르는 단계도 있는데, 금속이 올라간 뒤에는 웨이퍼를 그렇게 구울 수 없다. 이것도 둘로 나누는 이유 중 하나다.

산업 전체를 이야기할 때는 ‘전공정’이 팹을, ‘후공정’이 패키징과 테스트를 가리킨다(칩은 어떻게 만들어질까? 참고). ‘후단’이나 ‘후공정’이라는 말을 보면 먼저 앞뒤 맥락을 살펴야 한다.

지금의 트랜지스터도 이렇게 만들까?

원리는 같고 모양이 다르다. 가장 앞선 칩에서는 채널이 대부분 세로로 서서 얇은 핀(fin)이 되거나, 여러 장을 쌓아 게이트가 사방을 감싸게 만들며, 게이트와 절연막의 재료도 바뀌었다(트랜지스터란? 참고). 단계는 더 많아지고 순서도 조정되었지만, ‘먼저 분리하고, 바탕을 만들고, 게이트를 만들고, 게이트에 맞춰 입구와 출구를 만들고, 배선을 연결한다’는 큰 줄기는 그대로다.

fab24hr에서는

fab24hr의 메인 스토리 ‘칩의 일생’ 챕터 2 ‘한 공정씩’이 바로 이 글의 1단계와 2단계다. 웨이퍼 투입 후 첫 닷새 동안 나는 개발 PIE 엔지니어가 되어, 가상의 보청기 칩 ‘Glowmere’의 초도 로트 12장을 따라 R&D 라인을 돈다. 세정, 퍼니스에서 바탕이 되는 얇은 산화막 키우기, 모니터 웨이퍼 측정, 실리콘 질화막 키우기, 첫 번째 패턴 찍기, 식각으로 트렌치 파기, CMP로 실리콘 질화막까지 갈기(레시피대로 조금 더 갈지, 닿자마자 멈출지), 실리콘 질화막 벗기기, n형과 p형 웰 주입까지, 일곱 공정 구역에서 구역마다 한 단계씩 직접 처리한다.

뒤의 단계들은 ‘직장인의 하루’에서 만날 수 있다. ‘출근’을 누르고 ‘직장인의 하루’를 고른 뒤, ‘오늘 나는’ 카드에서 ‘개발 라인’을 누르고 좌우로 넘겨 개발 공정 엔지니어를 찾은 다음 구역을 하나 누른다. 퍼니스는 게이트 아래 산화막과 어닐링을, 주입은 소스와 드레인을 맡고, 포토, 식각, 박막, CMP가 함께 콘택트를 만든다. 게임 속 회사, 칩, 인물, 장비와 수치는 모두 가상이다. 각 단계는 공개된 일반 자료를 바탕으로 썼으며, 단순화한 것이다. 다른 업계 용어는 ‘반도체 공장 전문 용어, 쉬운 말로 풀이’에서 찾아볼 수 있다.