반도체정리

배경지식

주기율표

원소를 양자 수와 특성에 따라 정리해 둔 표를 말한다. 반도체 관련해서는 13, 14, 15족 원소가 중요하다.

13족:B(붕소), Al(알루미늄), Ga(갈륨), In(인듐)

14족:C(카본, 탄소), Si(실리콘/규소), Ge(저마늄), Sn(주석)

15족:N(질소), P(인), As(비소), Sb(안티모니)

최외곽 전자를 기준으로 13족, 14족, 15족을 나누는데 최외곽 전자가 3개면 13족, 4개면 14족, 5개면 15족이다. 최외곽 전자란 원자를 둘러싸고 있는 가장 마지막 전자껍질에 존재하는 전자를 말한다.

공유 결합

화학결합의 일종으로 원자끼리 최외각 전자를 공유하는 결합을 말한다.

반도체란

도체와 부도체의 중간 정도 전기 전도도를 가지는 물질 또는 특수한 상황에서만 전기가 흐르는 물체라고 정의할 수 있다. 도체는 전기가 잘 통하는 물질이고 부도체는 전기가 통하지 않는 물질이다. 반도체는 특수한 상황, 온도나 불순물을 통해 전기 전도도를 제어할 수 있는 물질이다.

Q. 반도체란 무엇이라고 생각하는가? 반도체를 한마디로 정의한다면? ->반도체란 전기 전도도를 제어할 수 있는 물질입니다. 온도와 불순물을 통해서 제어할 수 있습니다.

반도체 산업의 기초

반도체 산업의 Value chain을 살펴보면, 즉 어디에서 부가가치가 창출 되는지 살펴보면 1.Desing(설계) 2.Manufacturing(생산) 3.Packaging & Test 로 나눌 수 있다.

반도체 기업의 분류

Fabless

반도체 설계를 전문으로 담당하는 회사를 말한다. 연구 개발비와 인건비가 주로 비용으로 사용되며 제조를 Foundry 업체에 위탁한다. 퀄컴, NVIDIA, AMD, Apple 등의 회사가 이에 속한다.

Foundry

반도체 제조를 전문으로 담당하는 회사를 말한다. 주문 제작 방식, 즉 수탁 제조 방식을 취하고 있다. TSMC, 동부하이텍 등의 회사가 이에 속한다.

Packaging & Test

완성된 Wafer의 조립 및 Test를 담앙하는 회사를 말한다. Amkor, 하나마이크론 STS 반도체 등의 회사가 이에 속한다.

IDM(Integrated Device Manufacturer)

앞에서 말한 설계에서 테스트까지의 모든 범위를 담당하는 회사를 말한다. 메모리 반도체 산업에 적합한 회사이다. 메모리 반도체는 비메모리 반도체에 비해서 설계가 단순하기 때문에 동일한 설계로 많이 만들 수 있으면 경쟁력이 높아지는 특징이 있기 때문이다. 생산하는 기술력 즉, 양산력이 중요시되며 얼마나 많이 만들어 낼수 있느냐, 한번의 공정 사이클로 반도체를 얼마나 많이 만드느냐 등의 규모의 경제를 취한다. 생산설비까지 모든걸 갖춰야하기 때문에 투자비용이 높고 투자비용이 높은만큼 실패했을 때 손해비용이 높다. 하지만 모든 부분을 담당하는 만큼 모든 수입을 회사가 가져가는 고위험, 고수익의 특징을 가진다. 삼성전자, SK 하이닉스 등의 회사가 이에 속한다.

• 자본필요순서: IDM > Foundry > Packaging & Test > Fabless

반도체 산업적 분류

메모리 반도체

RAM(SRAM, DRAM), ROM(Flash, NAND, NOR)등의 종류를 말하며 정보 저장이 주된 목적이다. 소품종 대량 생산의 생산방식을 취하며 IDM 회사가 주력으로 생산한다. 선행 양산 기술, 자본 설비 투자면에서 우위를 점하고 있다면 큰 경쟁력을 가질 수 있다.

비메모리(시스템) 반도체

CPU(컴퓨터), AP(스마트폰), LSI, Image sensor 등 메모리 반도체 외 전부를 말한다. 정보 처리 즉, 연산이 주된 목적이며 다품종 소량 생산의 생산방식을 취한다. Fabless 회사가 주력으로 설계하며 우수 설계 인력, 설계 기술에서 우위를 점하고 있다면 큰 경쟁력을 가질 수 있다.

Q)반도체 산업의 특성에 대해 설명하시오. Value chain에대한 언급: design, manufacturing, packaging and test fabless, foundry, P&T 회사 그리고 그것을 모두 아우르는 IDM회사가 있습니다.

반도체 공정 기초

반도체는 8대 공정 Wafer 제조, 산화, 포토공정, Etching(식각), 박막 증착 & 이온 주입, 금속 배선, EDS(Test), Packaging 공정을 거쳐 생산된다.

1. Wafer 제조

Ingot 제조-> Ingot 절단 -> 표면 연마 순서로 이루어진다.

Ingot 제조 방법은 두가지가 있는데 첫번째로 Czochralski method(초크라스키) 방법이 있다. 수조에 녹여높은 Si(실리콘)이 있다. 씨앗이 될수 있는 싱글크리스탈 실리콘을 넣었다 뺀다. 뺄때 회전을 시켜가며 들어 올린다. 그러면 실리콘이 묻어 나오면서 송곳의 형태를 띄게 된다. 실리콘이 공유결합이 되어 무한대로 뻗어있는 형태가 싱글 크리스탈이다. 여러가지 네모 모양이 뭉쳐잇는 형태가 있을수있다 그것을 poly crystal이라고 한다. 또한 자기들 마음대로 구성되고 있고 이어져 있는 형태인 amorphaus가 있다.

두번째로 Floating zome method(플로팅존) 방법이 있다. 씨드는 따로 필요가 없다. 덩어리로 된 실리콘에 열처리를 할 수 있는 히터가 있다. 일반 실리콘이 열처리가 되면서 녹은 후에 아래 쪽에서 싱글 크리스탈 형태로 Ingot이 형성된다. 녹으며 불순물이 위로 올라가서 순도가 높은 실리콘 Ingot을 얻을수있다. 생산성이 낮기 때문에 이 방식으로 주로 생산하지는 않는다.

Ingot: 동그란 원통 제조-> 깁밥을 잘라내듯이 잘라낸다

2. Oxidation(산화)

실리콘(Si)을 산화(O2)시켜 SiO2(산화된 실리콘)으로 만든다. 웨이퍼 판을 가로로 본다면 납작한 판의 형태를 띄는데, 이 위에 실리콘 산화막을 만드는 단계이다. 두께가 증가한다.

-Oxidation의 종류 Thermal Oxidation☆ 1.건식산화(Dry oxidation)(물필요x) 2.습식산화(Wet oxidation)(물필요o) CVD(Chemical Vapor Deposition) PVD(Physical Vapor Deposition)

3. Photolithography(포토 공정)☆☆☆

Wafer 표면에 패턴을 형성하기 위한 공정이며 세밀하게 만들수 있다면 반도체의 크기를 줄일수 있으므로 중요한 공정이다. “포토레지스트코팅 - 소프트 베이킹 - 포토마스크 정렬 - 노광 - 노광 후 베이킹 - 현상 - 하드 베이킹 - 검사”의 공정 순서를 가지고 있다.

산화막 위에 포토리소그래프를 위한 포토 레지스트라는 액체를 얇게 코팅한다. 위에 도면을 만들어서 올려둔다. 그리고 빛을 쏜다. 구멍이 있는 부분은 빛이 통과하고 없는 부분은 빛이 튕겨져 나간다. 그럼 빛을 받은 부분의 성질이 변화한다. 그 이후에 현상이라는 과정을 통해서 빛을 받은 부분만 없애거나 남겨 놓는다.

4. Etching(식각)

기판상의 불필요한 부분을 제거하는 과정이다. Wet etching(습식 식각)과 Dry etching(건식 식각)으로 분류된다.

Uniformity(균일도), Etch rate(식각 속도), Etch selectivity(식각 선택비) 등을 주요하게 고려해야 한다.

5-1. Thin Film Deposition(박막 증착)☆☆☆

얇은 막을 형성하는 공정이다. CVD(Chemical Vapor Deposition), PVD(Physical Vapor Deposition) 방식의 증류 방식이 있다.

화학적, 전기적, 기계적 특성, 두께의 균일성, Step coverage, Aspect ratio, Filling 등을 주요하게 고려해야 한다.

5-2. Ion implatation(이온주입)

불순물을 주입하는 공정이다. 농도와 깊이 조절을 용이하게 할 수 있다.

균일성, 고순도, 저온공정 등을 주요하게 고려해야 한다.

6. Metallization(금속배선)

회로패턴을 따라 전기 배선하는 작업이다. PVD, CVD, ALD(ATOMIC LAYER DEPOSITION) 등의 방식으로 증류를 수행한다.

기판과의 점착성, 낮은 전기저항, 안정성, Etching 용이성, 신뢰성 등을 주요하게 고려해야 한다.

7. EDS(검사)

Electrical Die Sorting의 약자이며 Wafer 상태에서 개별 Chip이 양불 판정을 수행한다. Repair가 가능하다면 Repair을 통해 양품으로 Repair가 불가능하다면 Inking(표시)를 통해 불량 판정을 내린다.

• Yield(수율): 정산생산 Chip 수/설계 최대 Chip 수 x 100 “실제생산수(양품)/생산가능수 곱하기 100”

8. Packaging

외부환경으로부터 보포하는 과정이다. 전력을 공급하고 신호를 연결하며 열을 방출시킨다.

+CMP(Chemical Mechanical Polishing)

공정 중간중간 후속공정의 편의를 위해 진행하는 과정이다. 구두약 - chemical - 치약, 구두솔 - mechanical - 칫솔이라고 생각하면 이해가 편하다.

Q) 반도체 8대 공정 전반에 대해 설명하시오.