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1. 반도체 공정의 이해
1.1. 웨이퍼 제조
웨이퍼는 실리콘(Si)을 단결정기둥(ingot)으로 성장시켜 절단 후 연마하여 만들어진 것이다. 웨이퍼는 실리콘, 갈륨 아세나이드(GaAs) 등의 단결정 원판을 의미하며, 이 중 실리콘 웨이퍼가 가장 많이 사용된다. 실리콘을 사용하는 이유는 실리콘이 흔하고 경제적으로 저렴하며 독성이 없어 인체에 무해하기 때문이다.
웨이퍼 제조 공정의 첫 단계는 실리콘(폴리실리콘) 원료를 녹여 고순도의 실리콘 용액을 만드는 것이다. 이 용액을 결정 성장시켜 단결정의 실리콘 잉곳을 얻는다. 반도체용 잉곳은 일반 실리콘 잉곳 중에서도 초고순도의 잉곳을 사용한다.
다음 단계는 이 단결정 실리콘 잉곳을 균일한 두께로 얇게 절단하는 것이다. 이를 '잉곳 절단(Wafer Slicing)'이라고 하는데, 다이아몬드 톱을 이용하여 잉곳을 일정한 두께로 균일하게 자른다. 웨이퍼의 두께가 얇을수록 제조 원가가 낮아지고, 웨이퍼의 지름이 클수록 한 웨이퍼에서 생산할 수 있는 반도체 수가 증가한다.
마지막으로 웨이퍼 표면을 매끄럽게 만드는 '웨이퍼 표면 연마(Lapping & Polishing)' 공정을 거친다. 이는 표면의 흠결과 거칠기를 제어하기 위한 것으로, 연마 장비와 연마액을 이용하여 웨이퍼 표면을 평평하게 만든다.
이렇게 제조된 실리콘 웨이퍼는 후속 반도체 공정의 기본 재료로 사용된다. 웨이퍼 제조 공정의 핵심은 고순도의 단결정 실리콘 잉곳을 만들어내고, 이를 균일한 두께로 세밀하게 절단 및 연마하는 것이다.
1.2. 산화 공정
산화 공정은 실리콘(Si) 웨이퍼 위에 산화제(물(H2O), 산소(O2))와 열을 가하여 이산화규소(SiO2) 막을 형성하는 공정이다. 이때 생성되는 산화막은 회로 간 누설전류를 막고, 이온주입 공정에서 확산을 막으며, 식각공정에서 잘못 식각되는 것을 방지하는 역할을 한다.
산화 공정에는 습식산화(Wet Oxidation)와 건식산화(Dry Oxidation)가 있다. 습식산화는 산소와 함께 수증기를 사용해 산화막 성장 속도가 빠르고 두꺼운 막을 형성할 수 있지만, 건식에 비해 산화막의 밀도가 낮다. 동일한 온도와 시간에서 얻어지는 산화막 두께는 건식보다 5~10배 두껍다. 반면 건식산화는 순수한 산소만을 이용하기 때문에 산화막의 성장 속도가 느리지만, 전기적 특성이 좋다.
이와 같이 습식은 반응 속도가 빠르고 두꺼운 막을 만들 수 있는 반면, 건식은 반응이 느리고 얇은 막이 생성되지만 전기적 특성이 우수한 장단점을 갖는다. 이에 따라 공정 조건과 목적에 따라 습식과 건식 산화 공정을 선택하여 사용하게 된다.
1.3. 포토리소그래피 공정
포토리소그래피 공정은 반도체 표면 위에 사진 인쇄기술을 이용하여 회로 패턴을 새겨넣는 공정이다. 이는 크게 PR(Photoresist) 과정, 노광과정, 현상(Develop) 과정으로 나뉜다.
먼저 PR 과정은 감광성 고분자 물질인 포토레지스트를 웨이퍼 위에 얇게 도포하는 과정이다. 이때 사용되는 포토레지스트는 용매, 수지, 그리고 감광성 화합물(PAC)로 구성되어 있다. 포지티브 레지스트와 네거티브 레지스트의 경우, 빛에 노출된 부분이 각각 화학적 분해와 결합으로 인해 현상액에 의해 제거되거나 남게 된다.
다음으로 노광과정은 정확한 위치에 마스크 레이어를 맞추는 정렬(Alignment) 과정과 감광막에 빛을 쏘아 패턴이 형성되도록 하는 노광(Exposure) 과정으로 구분된다. 노광 방식에는 콘택 정렬기, 근접 정렬기, 투영 정렬기가 있으며 각각 장단점이 존재한다.
마지막으로 현상(Develop) 과정은 노출된 부분의 포토레지스트를 선택적으로 제거하여 회로 패턴을 형성하는 단계이다. 현상 과정을 거치면 노광에 의해 빛에 노출된 부분 또는 노출되지 않은 부분을 제거하여 패턴을 만들어낼 수 있다.
이처럼 포토리소그래피 공정은 회로 패턴 형성의 핵심이 되는 공정으로, 감광막 도포, 정렬, 노광, 현상 등의 세부 단계를 거쳐 웨이퍼 표면에 정밀한 회로 패턴을 새겨낼 수 있다. 이는 반도체 소자의 미세화와 집적도 향상에 핵심적인 역할을 하고 있다.
1.4. 식각 공정
식각(Etching) 공정은 포토공정을 거쳐 웨이퍼 표면에 원하는 회로 패턴이 형성된 후, 불필요한 부분을 선택적으로 제거하는 공정이다. 반도체 회로 패턴을 만드는데 있어 매우 중요한 공정이라고 할 수 있다.
식각 공정은 크게 습식 식각(Wet Etching)과 건식 식각(Dry Etching)의 두 가지 방식으로 나뉜다. 습식 식각은 화학 용액을 이용하여 특정 물질을 선택적으로 녹여내는 방식이다. 반면 건식 식각은 플라즈마 상태의 반응성 기체를 이용하여 물리적, 화학적으로 물질을 제거하는 방식이다.
습식 식각은 저비용, 공정이 쉽다는 장점이 있지만 균일성과 정확성이 떨어지는 단점이 있다. 건식 식각은 균일성과 정확성이 우수하지만 고비용, 공정이 어렵다는 단점이 있다. 따라서 반도체 공정의 미세화가 진행될수록 건식 식각 기술이 더 중요해지고 있다.
건식 식각은 다시 물리적 식각(Physical Etching), 화학적 식각(Chemical Etching), 화학적-물리적 식각(Physical-Chemical Etching)으로 구분된다. 물리적 식각은 이온 충돌에 의한 스퍼터링 작용으로 물질을 제거하는 방식이다. 화학적 식각은 반응성 기체와 물질 간 화학 반응으로 제거하는 방식이다. 화학적-물리적 식각은 두 가지 방식이 결합된 형태로, 높은 선택비와 식각 속도를 보인다.""
식각 공정에서 고려해야 할 주요 인자는 다음과 같다. 첫째, 균일도(Uniformity)이다. 식각이 웨이퍼 전체에서 고르게 진행되어야 한다. 둘째, 식각 속도(Etch Rate)이다. 이는 일정 시간 동안 막이 제거되는 두께를 의미한다. 셋째, 선택비(Selectivity)이다. 이는 식각 대상 막질과 마스크 막질 간 식각 속도 비를 의미한다. 이러한 인자들은 최종 반도체 소자의 품질을 결정하는 데 매우 중요하다.""
또한 식각 공정에서 중요한 이슈 중 하나가 방향성 문제이다. 등방성 식각은 모든 방향으로 균일하게 진행되어 언더컷 현상이 발생하지만, 비등방성 식각은 특정 방향으로 선택적으로 진행되어 수직 프로파일을 형성할 수 있다. 반도체 소자의 미세화가 진행됨에 따라 비등방성 식각 기술이 점점 더 중요해지고 있다.""
식각 공정은 단순히 불필요한 부분을 제거하는 것뿐만 아니라 다음 공정을 위한 준비 단계이기도 하다. 예를 들어 식각 후 증착 공정이 진행되는데, 이때 식각 공정에서 형성된 단차가 증착 공정에 영향을 미칠 수 있다. 따라서 식각 공정의 결과가 후속 공정에 어떤 영향을 미칠지 항상 고려해야 한다.""
최근 반도체 공정의 미세화가 진행됨에 따라 식각 공정에서도 여러 가지 이슈가 발생하고 있다. 예를 들어 높은 종횡비(Aspect ...
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