스마트폰, 자동차, 컴퓨터와 산업장비에 사용되는 반도체 칩은 처음부터 작은 사각형 형태로 만들어지는 것이 아닙니다. 먼저 고순도 단결정 소재를 원형 웨이퍼로 가공하고, 그 표면에 얇은 결정층과 복잡한 회로 구조를 형성한 후 개별 칩으로 절단합니다.
이 과정에는 단결정 성장, 웨이퍼 가공, 에피택시 성장, 박막 증착, 포토리소그래피, 식각, 이온주입, 금속 배선, 검사, 절단과 패키징 등 수많은 공정이 포함됩니다.
그렇다면 반도체 기판과 에피웨이퍼는 무엇이며, 한 장의 웨이퍼는 어떤 과정을 거쳐 최종 반도체 칩으로 완성될까요?
1. 반도체 소재와 단결정 성장
반도체 제조의 첫 번째 단계는 요구되는 전기적·광학적 성능에 적합한 소재를 선택하는 것입니다.
현재 가장 널리 사용되는 반도체 소재는 실리콘이지만, 응용 분야에 따라 탄화규소, 질화갈륨, 비소화갈륨, 인화인듐과 같은 화합물 반도체도 사용됩니다. 사파이어는 전류를 직접 제어하는 반도체는 아니지만, 질화갈륨 박막을 성장시키는 기판으로 널리 활용됩니다.
대표적인 소재와 응용 분야는 다음과 같습니다.
- 실리콘: 논리소자, 메모리, 이미지 센서 및 전력관리 반도체
- 탄화규소: 전기자동차, 고전압 전력소자 및 에너지 변환장치
- 질화갈륨: 고속 충전기, 고주파 통신, 발광다이오드 및 레이저
- 비소화갈륨: 무선주파수 소자, 레이저 및 광전자소자
- 인화인듐: 광통신 레이저, 광검출기 및 고속 광소자
- 사파이어: 질화갈륨 성장용 기판, 절연 기판 및 광학부품
반도체 기판을 만들기 위해서는 먼저 고순도 원료를 녹이거나 승화시킨 후 결정 성장장치를 이용해 결정 방향이 일정한 단결정을 성장시켜야 합니다.
성장 방법은 소재에 따라 다릅니다. 실리콘은 주로 초크랄스키 방식으로 성장시키며, 탄화규소는 일반적으로 물리적 기상수송 방식을 사용합니다. 사파이어는 초크랄스키, 카이로풀로스, 열교환 또는 가장자리 정의 성장 방식 등으로 제조할 수 있습니다.
이렇게 성장된 원통형 또는 덩어리 형태의 단결정을 잉곳 또는 결정괴라고 부릅니다.
2. 단결정을 얇은 웨이퍼로 절단
성장된 단결정은 바로 반도체 제조에 사용할 수 없습니다. 먼저 결정 방향을 확인하고 외경을 가공한 후, 와이어 절단장비를 사용해 얇은 원판 형태로 절단합니다.
절단 과정에서는 다음과 같은 요소를 정밀하게 관리해야 합니다.
- 웨이퍼 직경
- 목표 두께
- 결정 방향
- 절단각도
- 표면 손상 깊이
- 전체 두께 편차
- 휨과 뒤틀림
절단 직후의 웨이퍼 표면에는 와이어 흔적, 미세 균열, 입자와 가공 손상층이 남아 있습니다. 표면도 거칠고 평탄도가 충분하지 않기 때문에 곧바로 회로를 형성할 수 없습니다.
3. 연삭·연마·세정을 통한 기판 제조
절단된 웨이퍼는 연삭, 래핑, 가장자리 가공, 화학적 식각과 정밀 연마 공정을 거칩니다.
연삭과 래핑은 절단 과정에서 발생한 두께 차이와 표면 손상을 줄이는 역할을 합니다. 가장자리 가공은 웨이퍼 모서리를 둥글게 만들어 후속 공정에서 균열이나 깨짐이 발생하는 것을 방지합니다.
고품질 반도체 기판에는 화학적 기계 연마가 적용될 수 있습니다. 이 공정은 화학반응과 기계적 마찰을 함께 이용해 웨이퍼 표면을 원자 수준에 가까운 평탄한 상태로 가공합니다.
마지막으로 정밀 세정을 통해 다음과 같은 오염원을 제거합니다.
- 표면 입자
- 유기 오염물
- 금속 이온
- 연마제 잔류물
- 자연 산화막
- 미세한 가공 부산물
이러한 공정을 완료한 웨이퍼가 반도체 기판입니다. 기판은 후속 공정을 지지하는 기초 재료이며, 경우에 따라 기판 자체가 소자의 전류 경로 일부로 사용되기도 합니다.
4. 기판과 에피웨이퍼의 차이
기판은 일정한 결정 방향과 기계적 강도를 갖춘 기본 웨이퍼입니다. 에피웨이퍼는 이 기판 위에 하나 이상의 고품질 결정층을 성장시킨 웨이퍼입니다.
에피택시란 기판의 결정 배열을 따라 새로운 단결정층을 성장시키는 기술입니다. 성장된 층을 에피층이라고 합니다.
에피층에서는 다음과 같은 특성을 조절할 수 있습니다.
- 에피층 두께
- 도핑 종류
- 도핑 농도
- 전기저항
- 다층 구조
- 밴드 구조
- 계면 품질
탄화규소 전력소자의 경우 탄화규소 기판 위에 전기저항과 두께가 정밀하게 제어된 탄화규소 에피층을 성장시킵니다. 실제 소자의 고전압 차단 특성은 에피층 두께와 도핑 농도의 영향을 크게 받습니다.
질화갈륨 소자는 사파이어, 탄화규소 또는 실리콘 기판 위에 질화갈륨 계열 박막을 성장시켜 제조할 수 있습니다. 이 경우 기판은 결정 성장과 기계적 지지를 담당하고, 에피층이 주요 전기적 또는 광학적 기능을 수행합니다.
다만 모든 반도체 칩이 반드시 별도의 에피택시 공정을 거치는 것은 아닙니다. 소자 구조와 제조 목적에 따라 연마된 기판을 직접 사용하거나, 특정 영역에만 필요한 구조를 형성하기도 합니다.
5. 박막 형성과 웨이퍼 전공정
기판 또는 에피웨이퍼가 준비되면 표면에 실제 반도체 소자와 회로를 형성하는 웨이퍼 전공정이 시작됩니다.
전공정에서는 웨이퍼 전체에 동일한 회로 패턴을 반복적으로 형성합니다. 주요 공정은 다음과 같습니다.
산화 및 박막 증착
웨이퍼 표면에 절연막, 반도체층, 보호막 또는 금속막을 형성합니다.
사용 목적에 따라 화학기상증착, 물리기상증착, 원자층증착과 열산화 등의 방법이 사용됩니다.
포토리소그래피
웨이퍼 표면에 감광액을 도포한 후 회로 패턴이 들어 있는 마스크를 통해 빛을 조사합니다. 현상 공정을 거치면 필요한 부분에만 감광액 패턴이 남습니다.
포토리소그래피는 회로의 선폭, 위치 정밀도와 집적도를 결정하는 핵심 공정입니다.
식각
감광액 패턴을 기준으로 노출된 박막을 제거해 원하는 구조를 만듭니다. 식각 방식에는 액체 화학물질을 사용하는 습식 식각과 플라즈마를 사용하는 건식 식각이 있습니다.
이온주입과 도핑
반도체 내부에 특정 불순물 원소를 주입해 전기적 성질을 조절합니다. 도핑을 통해 전자 또는 정공이 주된 전하 운반자가 되는 영역을 만들 수 있습니다.
이온주입 후에는 열처리를 통해 주입된 원소를 활성화하고 결정 손상을 회복합니다.
평탄화
여러 층을 반복적으로 형성하면 웨이퍼 표면에 높이 차이가 발생합니다. 화학적 기계 연마를 통해 표면을 다시 평탄하게 만들어 다음 회로층을 안정적으로 형성할 수 있도록 합니다.
금속 배선
트랜지스터나 개별 소자가 만들어진 후에는 금속 배선을 형성해 각 구조를 전기적으로 연결합니다. 고집적 반도체에서는 여러 층의 금속 배선이 사용됩니다.
이러한 증착, 포토리소그래피, 식각, 도핑과 세정 공정은 한 번만 진행되는 것이 아닙니다. 칩 구조에 따라 수십 회에서 수백 회 반복될 수 있습니다.
6. 웨이퍼 검사와 수율 관리
웨이퍼 공정이 완료되면 표면과 내부의 결함을 검사합니다.
대표적인 검사 항목은 다음과 같습니다.
- 회로 패턴의 선폭과 위치
- 표면 입자 및 오염
- 박막 두께와 균일성
- 에피층 결함
- 균열과 깨짐
- 금속 배선 연결 상태
- 소자의 전기적 특성
- 웨이퍼 휨과 뒤틀림
웨이퍼 상태에서 탐침을 각 칩의 전극에 접촉시켜 전압, 전류, 저항과 기능을 검사하는 전기적 시험도 진행됩니다.
한 장의 웨이퍼 위에 형성된 모든 칩이 정상적으로 작동하는 것은 아닙니다. 소재 결함, 입자, 공정 편차와 회로 불량으로 인해 일부 칩은 기준을 충족하지 못할 수 있습니다.
전체 칩 가운데 정상 제품으로 사용할 수 있는 비율을 수율이라고 합니다. 수율은 반도체 제조비용과 공급능력을 결정하는 중요한 지표입니다.
7. 웨이퍼 박막화와 절단
전공정이 완료된 웨이퍼는 제품에 따라 뒷면 연삭 공정을 통해 더 얇게 가공됩니다. 웨이퍼를 얇게 만들면 완성된 패키지의 두께를 줄이고 열 방출이나 전기적 특성을 개선할 수 있습니다.
하지만 웨이퍼가 얇아질수록 쉽게 휘거나 깨질 수 있으므로 임시 지지기판이나 보호 테이프가 사용될 수 있습니다.
이후 절단장비를 이용해 웨이퍼 위의 개별 칩을 분리합니다. 절단 방법에는 다이아몬드 블레이드 절단, 레이저 절단과 은닉 레이저 절단 등이 있습니다.
절단된 각각의 작은 반도체 조각을 다이라고 하며, 패키징을 완료하면 일반적으로 완성된 반도체 칩 또는 반도체 제품이라고 부릅니다.
8. 패키징과 최종 검사
절단된 다이는 외부 환경으로부터 보호하고 전기적으로 연결하기 위해 패키징 공정을 거칩니다.
일반적인 패키징 과정은 다음과 같습니다.
- 정상 다이 선별
- 다이를 패키지 기판 또는 리드프레임에 부착
- 와이어 또는 미세 접합 구조로 전극 연결
- 봉지재로 칩 보호
- 외부 단자 형성
- 전기적·열적 신뢰성 검사
- 최종 기능시험
패키지는 단순히 칩을 감싸는 껍데기가 아닙니다. 외부 회로와 칩을 연결하고, 작동 중 발생하는 열을 방출하며, 습기와 충격으로부터 내부 회로를 보호합니다.
고성능 반도체에서는 여러 개의 다이를 하나의 패키지 안에 배치하거나 실리콘 관통전극, 인터포저와 칩렛 구조를 적용하기도 합니다.
기판·에피웨이퍼·웨이퍼·칩은 어떻게 다를까?
| 구분 | 의미 |
|---|---|
| 기판 | 회로 또는 에피층 형성의 기초가 되는 단결정 웨이퍼 |
| 에피웨이퍼 | 기판 위에 고품질 결정층을 성장시킨 웨이퍼 |
| 소자 웨이퍼 | 표면에 반도체 소자와 회로가 형성된 가공 상태의 웨이퍼 |
| 다이 | 웨이퍼를 절단해 얻은 개별 반도체 조각 |
| 반도체 칩 | 검사와 패키징을 거쳐 실제 제품으로 사용할 수 있는 반도체 부품 |
상황에 따라 웨이퍼라는 단어가 기판, 에피웨이퍼 또는 회로가 형성된 소자 웨이퍼를 모두 가리킬 수 있습니다. 따라서 구매나 기술 협의 과정에서는 웨이퍼의 공정 상태를 정확하게 확인해야 합니다.
반도체 웨이퍼를 선택할 때 확인해야 할 사양
기판이나 에피웨이퍼를 구매할 때는 소재와 직경만 확인해서는 안 됩니다. 일반적으로 다음과 같은 사양을 검토해야 합니다.
- 소재와 결정 구조
- 웨이퍼 직경 및 두께
- 결정 방향과 오프각
- 전도형과 전기저항
- 단면 또는 양면 연마
- 표면 거칠기
- 전체 두께 편차
- 휨과 뒤틀림
- 에피층 소재와 두께
- 에피층 도핑 농도
- 표면 및 결정 결함
- 가장자리 형상
- 웨이퍼 등급과 사용 목적
연구용, 시험용, 장비 조정용 또는 양산용인지에 따라서도 필요한 품질 수준과 가격이 달라집니다.
결론
한 장의 반도체 웨이퍼가 칩으로 완성되기까지는 단결정 성장, 절단, 연마, 세정, 에피택시 성장, 회로 형성, 검사, 박막화, 절단과 패키징이라는 긴 과정이 필요합니다.
기판은 모든 공정의 물리적 기반을 제공하고, 에피층은 소자의 핵심 전기적 또는 광학적 성능을 결정합니다. 이후 웨이퍼 전공정을 통해 수많은 미세 구조와 배선이 형성되며, 마지막으로 개별 다이로 분리하고 패키징해야 실제 장비에 사용할 수 있는 반도체 칩이 됩니다.
따라서 반도체 칩의 성능은 회로 설계만으로 결정되지 않습니다. 기판의 결정 품질, 에피층 균일성, 표면 청정도, 공정 정밀도와 패키징 신뢰성이 함께 확보되어야 고성능 반도체 제품을 안정적으로 생산할 수 있습니다.