반도체 입문 · 15강
공정 통합: 수백 단계를 하나의 흐름으로 엮기
모든 공정 단계를 제대로 해도 칩이 동작한다는 보장은 없다. 수백 개의 단계를 하나의 공정 흐름으로 배열해야 하고, 단계와 단계 사이의 영향은 누군가 처음부터 끝까지 지켜봐야 한다.
학습 목표
- 트랜지스터 하나가 만들어지는 과정을 소자 분리, 웰, 게이트, 소스와 드레인, 어닐링, 콘택트, 첫 번째 금속층의 순서로 말하고, 단계마다 왜 필요한지 말할 수 있다.
- 순서를 왜 함부로 바꿀 수 없는지(금속은 고온에 약하고, 열은 누적된다), 어떤 단계 사이에서는 왜 너무 오래 기다리면 안 되는지(큐타임) 설명할 수 있다.
- 모든 공정 단계가 규격 안에 있는데도 칩이 잘못될 수 있는 이유와, 공정 통합 엔지니어가 결과에서 거꾸로 원인을 어떻게 찾아가는지 설명할 수 있다.
한 단계씩
- 얕은 트렌치를 파고 산화물로 채워, 트랜지스터를 하나하나 떼어 놓는다(소자 분리).
이유트랜지스터가 아주 빽빽하게 들어서 있어서, 하나하나 사이에 절연벽이 있어야 한다.
하지 않으면이웃한 트랜지스터끼리 누설 전류가 흘러, 스위치가 깔끔하게 꺼지지 않는다.
- 인과 붕소를 주입해 n형과 p형 웰을 만든다.
이유두 종류의 트랜지스터가 각각 한 종류의 웰에 자리 잡고, 입구·출구와 그 아래가 반대 타입이어야 평소에 꺼져 있다.
하지 않으면반대 타입의 웰이 없으면 입구와 출구가 평소에도 통해 있어 스위치를 끌 수 없다.
- 아주 얇은 산화막을 기르고 폴리실리콘을 덮은 뒤, 가느다란 게이트를 찍어 낸다.
이유게이트는 절연막을 사이에 두고 전압으로 채널을 제어한다. 선 폭이 대략 입구에서 출구까지의 거리가 된다.
하지 않으면절연막이 너무 얇으면 누설 전류가 생기고 너무 두꺼우면 느려진다. 게이트가 너무 넓으면 느려지고 너무 좁으면 완전히 꺼지지 않는다.
- 게이트를 가림막 삼아 양옆에 소스와 드레인을 주입한다(자기 정렬).
이유패턴을 따로 찍어 맞추면 항상 조금 어긋나지만, 게이트가 직접 가리면 반드시 정렬된다.
하지 않으면어긋나면 입구나 출구와 채널 사이에 틈이 생겨 전류가 지나가지 못한다.
- 열을 가해 원자가 제자리를 잡게 하고(어닐링), 가열할 때마다 열 예산에 기록한다.
이유막 주입된 원자는 대부분 엉뚱한 위치에 끼어 있어 아직 전기를 통하지 못한다.
하지 않으면열이 부족하면 면저항이 높게 나오고, 너무 오래 가열하면 원자가 옆으로 퍼져 막 정렬해 놓은 형상이 뭉개진다.
- 절연막을 덮고 작은 구멍을 판 뒤 금속을 채워 콘택트를 만든다.
이유위쪽 배선은 연결해야 할 몇 지점에서만 트랜지스터와 닿고, 나머지는 모두 떨어져 있어야 한다.
하지 않으면구멍이 바닥까지 뚫리지 않으면 저항이 높아지거나 아예 연결되지 않고, 어긋나서 게이트에 닿으면 단락이 생긴다.
- 마지막에야 금속을 올려 첫 번째 배선층을 만들고, 콘택트를 이어 회로를 만든다.
이유전단 공정의 일부 단계는 1,000도가 넘는 온도가 필요한데, 금속이 올라가면 웨이퍼를 더는 그렇게 구울 수 없다.
하지 않으면금속을 먼저 올리면 뒤의 고온 단계를 할 수 없다. 연결하지 않으면 트랜지스터는 하나하나 고립된 스위치일 뿐이다.
핵심 설명
먼저 나누고, 바탕을 만든다: 소자 분리와 웰
팹은 작은 한 곳에만 작업을 할 수 없다. 어떤 처리를 특정 위치에서만 일어나게 하려면 먼저 틀을 찍고 한 바퀴를 돌아야 한다. 막을 쌓고, 패턴을 찍고, 식각이나 이온 주입을 하고, 포토레지스트를 제거하고, 세정하고, 측정한다. 칩 하나를 만들려면 이 바퀴를 수십 번 돌며 수백 단계를 거친다. 가장 단순한 평면 트랜지스터를 예로 들면, 첫 단계는 소자 분리다. 실리콘에 얕은 트렌치를 파고 산화물로 채운 뒤 평탄하게 갈면, 트랜지스터 사이사이에 절연벽이 생긴다. 그렇지 않으면 이웃한 트랜지스터끼리 누설 전류가 흐른다. 둘째 단계는 웰이다. 포토레지스트로 절반을 덮고 인을 주입해 n형 웰을 만들고, 틀을 바꿔 붕소를 주입해 p형 웰을 만든다. 두 종류의 트랜지스터는 각각 한 종류의 웰에 자리 잡으며, 입구·출구와 그 아래가 서로 반대 타입이어야 평소에 꺼질 수 있다.
게이트를 만든 뒤, 그것을 가림막으로 쓴다
셋째 단계는 게이트다. 아주 얇은 산화막을 길러 절연막으로 쓰고, 전기가 통하는 폴리실리콘을 덮은 뒤 게이트를 한 줄 한 줄 찍어 낸다. 게이트 선의 폭이 대략 입구와 출구 사이의 거리가 되므로, 특히 가늘고 정확하게 찍어야 한다. 넷째 단계에서는 포토레지스트로 다른 종류의 트랜지스터를 덮고, 게이트 양옆에 원자를 주입한다. 게이트가 바로 아래를 가리므로 소스와 드레인이 게이트 양쪽에 딱 붙어서 만들어진다. 이를 자기 정렬(self-aligned)이라고 한다(실제 공정 흐름에서는 먼저 얕게 한 번 주입하고, 게이트 양옆에 얇은 측벽을 둘러 만든 다음 깊게 주입하지만, 여기서는 생략한다). 패턴을 따로 찍어 맞추면 항상 조금씩 어긋나고, 어긋나서 틈이 생기면 전류가 지나가지 못한다. 다섯째 단계는 어닐링이다. 막 주입된 원자는 대부분 엉뚱한 위치에 끼어 있어 아직 전기를 통하지 못하므로, 열을 가해 제자리를 잡게 한다. 너무 오래 가열하면 원자가 옆으로 퍼져 형상이 뭉개지므로, 몇 초만 가열하는 경우가 많다.
금속을 올리면 되돌아갈 수 없다
여섯째 단계는 콘택트다. 두꺼운 절연막을 덮어 평탄하게 갈고, 소스·드레인·게이트까지 작은 구멍을 판 뒤 배리어층을 깔고 텅스텐 같은 금속을 채운다. 구멍이 바닥까지 뚫리지 않으면 저항이 높아지거나 아예 연결되지 않고, 어긋나서 게이트에 닿으면 단락이 생긴다. 일곱째 단계에서 다시 홈을 파고 금속을 채워 첫 번째 배선층을 만들면, 그제야 두 종류의 스위치가 한 쌍으로 짝지어져 회로가 된다. 트랜지스터를 만드는 1~5단계를 전단 공정(FEOL), 배선을 만드는 단계를 후단 공정(BEOL)이라고 한다. 이 순서에는 이유가 있다. 전단 공정의 일부 단계는 1,000도가 넘는 온도가 필요한데, 금속이 올라간 뒤에는 그렇게 구울 수 없다. 또 이후의 가열 하나하나가 앞서 주입한 원자를 조금씩 더 움직이게 하므로, 이 열의 총량을 열 예산이라 하고 미리 계산에 넣어야 한다. 양산에서는 이 공정 흐름표가 고정되어 있으며, 이를 POR이라고 한다.
단계 사이에서 오래 기다릴 수 없고, 전체를 보는 사람도 필요하다
웨이퍼는 두 단계 사이에서 웨이퍼 박스에 담긴 채 공기와 닿아 있다. 깨끗이 세정한 실리콘에는 얇은 산화막이 다시 자라고, 현상 후의 포토레지스트를 너무 오래 두면 식각한 선폭이 틀어질 수 있다. 그래서 앞 단계가 끝난 뒤 다음 단계를 언제까지 반드시 시작해야 하는지 정해 두는데, 이를 큐타임(Q-time)이라고 하며, 넘기면 리워크하거나 심하면 스크랩한다. 단계끼리도 서로 영향을 준다. 막이 조금 두껍고 식각은 평소대로 하면, 두 단계 모두 규격 안인데도 콘택트 구멍이 바닥까지 조금 덜 뚫려 저항이 높아진다. 그래서 공정 통합 엔지니어(PIE)는 제품 하나를 첫 단계부터 마지막 단계까지 책임진다. 단계마다의 측정값을 보고, 공정이 끝난 뒤의 전기적 특성과 수율도 보며, 문제가 생기면 결과에서 거슬러 올라가 어떤 숫자가 가장 먼저 움직였는지 찾는다.
흔한 오해
- 흔히 듣는 말모든 공정 단계가 규격 안에 있으면, 만들어진 칩도 반드시 문제가 없다.
- 실제로는꼭 그렇지는 않다. 단계끼리는 서로 영향을 준다. 앞 단계가 조금 치우쳤는데 다음 단계가 평소대로 진행하면, 각자는 규격 안이어도 이어 놓고 보면 작은 구멍이 바닥까지 뚫리지 않아 저항이 높아질 수 있다. 그래서 단계별 측정 외에도 라인 전체를 보는 사람이 있어야 하고, 웨이퍼 공정이 끝난 뒤 측정한 전기적 특성과 수율도 봐야 한다.
- 흔히 듣는 말웨이퍼는 클린룸 안에 있으니, 조금 더 기다렸다 진행해도 괜찮다.
- 실제로는클린룸은 파티클은 막아 주지만, 표면이 공기와 서서히 반응하는 것까지 막지는 못한다. 많은 단계 사이에 큐타임이 있고, 넘기면 리워크하거나 심하면 스크랩해야 한다. 그래서 로트 진행 순서를 정하는 사람은 거꾸로 생각해야 할 때가 많다. 다음 단계가 아직 준비되지 않았다면 앞 단계를 아직 시작하지 않는 것이다.
필독
- 트랜지스터 하나는 어떻게 만들어질까? 소자 분리부터 첫 금속층까지 단계별로 보기
- 공정 통합 엔지니어(PIE)는 무슨 일을 할까? 공정 엔지니어와는 무엇이 다를까?
- Q-time이란? 웨이퍼는 왜 오래 기다릴 수 없을까
플레이
공정 통합 엔지니어로 근무해 보기: 내가 맡은 것은 장비 한 대가 아니라, 첫 단계부터 마지막 단계까지의 제품 하나다 →
생각해 보기
- 조건 하나를 바꾸면 이 단계는 좋아지지만, 뒤의 어떤 단계는 나빠질 수 있다. 바꿀지 말지는 누가 결정할 권한을 가져야 하는가? 결정하기 전에 어떤 데이터를 먼저 봐야 하는가?
- 다음 단계의 장비가 갑자기 멈췄고, 한 로트의 큐타임 카운트다운이 진행 중이다. 장비 수리를 기다리는 것과 앞 단계를 다시 하는 것은 각각 어떤 대가가 있는가?
수업 자료: 슬라이드
이 강의의 핵심, 모식도, 장비, 토론 질문을 슬라이드 한 벌로 만들었다. 그대로 화면에 띄워도 되고, 자신의 강의 자료에 넣어도 된다.
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