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[반도체 취업준비] 2주차. 반도체 공학 기초

whymjay 2026. 5. 20. 01:08

안녕하세요!
오늘은 2주차 5월11일부터 15일 4일 간 진행된
반도체 공학 기초입니다. 🙊



목차
1. 반도체 기초

2. 반도체 물성

3. 반도체 공정 기초

4. 팹 8대 공정

5. 팹 공정 기타 


1. 반도체 기초

반도체란?

  • 단원소 반도체: Si(실리콘), Ge(게르마늄)
  • 화합물 반도체: GaAs, GaN, SiC, InP 등
  • 도체와 부도체의 중간 성질 — 조건에 따라 전기를 통과/차단

기능은 크게 신호 증폭 / 스위칭 / 정류 / 데이터 저장 / 광-전 변환으로 나뉘고, 제품 분류는 메모리 · 시스템 반도체(비메모리) · 개별소자 · 광반도체 네 가지.

 

반도체 산업 — 기업 유형

  • IDM (종합반도체): 설계+생산 (삼성전자, SK하이닉스, 인텔)
  • 팹리스: 설계만 (퀄컴, 엔비디아, AMD)
  • 파운드리: 위탁생산 (TSMC, 삼성파운드리)
  • OSAT: 후공정 (ASE, Amkor)
  • IP / 디자인하우스: 설계 자산·가교 (ARM, 가온칩스)

 

메모리 vs 시스템 반도체

구분 메모리 반도체 시스템 반도체
역할 저장 처리·제어
시장 규모 ~30% ~70%
한국 점유율 세계 1위 약 3%대
수익 구조 사이클 큼 안정적

→ 한국은 메모리 강국이지만 시스템 반도체는 취약

 

기술 트렌드 — 고집적화 · 고성능화 · 저소비전력

미세화의 부작용과 대책이 핵심:

  • 부작용: 누설전류 증가, 동작전류 저하, 단채널 효과
  • 대책: EUV, 멀티 패터닝, HKMG, FinFET, GAA, High-K 절연막, SiGe

 

반도체 직무

제조 단계: 공정개발 → 제품설계 → 팹공정 → 패키징 → 테스트 → 품질관리


직무 핵심 역할 필요 능력
PA/PI 전체 공정 통합 시스템적 사고
회로 설계 트랜지스터·셀 설계 HDL, EDA 툴
공정 기술 단위 공정 최적화 화학·물리, 데이터 분석
설비 기술 장비 유지보수 기계·전기·플라즈마
패키징 본딩·조립 재료, 열·기계
PDE 제품화 설계 디지털·아날로그
테스트 양품/불량 선별 측정, 통계
품질관리 수율·신뢰성 SPC, FMEA

2. 반도체 물성

원자구조와 에너지 밴드

원자 → 궤도(K, L, M, N) → 결정이 되면 에너지 준위가 띠 형태로 펼쳐져 에너지 밴드가 형성됨.

  • 가전자대(Valence Band): 전자가 묶여 있는 띠
  • 전도대(Conduction Band): 전자가 자유롭게 이동 가능
  • 금지대(Band Gap): 두 띠 사이의 빈 영역
  • 자유전자(전도대로 올라간 전자, 전류 운반), 정공(전자가 빠진 자리, (+)처럼 행동)
밴드갭에 따른 에너지 밴드 구조. (a) 절연체, (b) 반도체, (c) 도체
 

구분 밴드갭 특징
도체 거의 0 전자 자유 이동
반도체 Si: 1.12 eV 조건에 따라 전도성 변화
부도체 > 3 eV 전자 이동 거의 불가

온도와 비저항: 도체는 온도↑→저항↑, 반도체는 온도↑→저항↓ (열에너지로 캐리어 생성)
반도체 물질 분류

  • 진성: 순수 Si, Ge
  • 불순물: N형(P, As, Sb 도핑), P형(B, Ga, In 도핑)
  • 화합물: GaAs, GaN, SiC, InP — N/P 타입에 따라 도핑 원소도 달라짐 (예: GaAs의 N형은 Si·Te, P형은 Zn·Be)

 

도핑과 PN 접합

순수 반도체에 불순물을 의도적으로 첨가해 전기 전도성을 조절.

타입 도핑 원소 다수/소수 캐리어 페르미 준위
N형 P, As, Sb (5가) 전자 / 정공 전도대 쪽 ↑
P형 B, Ga, In (3가) 정공 / 전자 가전자대 쪽 ↓

페르미 레벨(EF): 전자가 존재할 확률이 50%인 에너지 준위 = 반도체의 전기적 성격을 결정짓는 기준선. 도핑이 많아질수록 더 극단으로 치우침.

 

PN 접합

  • P형과 N형을 붙이면 접합면에 공핍층(Depletion Region) 형성
  • Si 기준 내장 전위(Built-in Potential) ≈ 0.7 V
  • 전류 성분: 드리프트(전기장) + 확산(농도 차이) — 평형 상태에서 상쇄

바이어스

  • 순방향(P→+, N→-): 공핍층↓ → 전류 흐름
  • 역방향(P→-, N→+): 공핍층↑ → 전류 차단
PN 다이오드 I-V곡선

 

항복 현상(Breakdown)

종류 메커니즘 발생 조건
Avalanche Breakdown 가속된 전자가 충돌·이온화 연쇄 도핑 낮음, 고전압
Zener Breakdown 강한 전기장으로 가전자대→전도대 터널링 도핑 높음, 좁은 공핍층

→ 제너 다이오드는 Zener Breakdown을 의도적으로 이용해 전압 안정화에 활용

 

MOS Capacitor — MOSFET의 베이스

Metal – Oxide(SiO₂) – Semiconductor 의 3층 구조.

 

모드 게이트 전압(P형 기판 기준) 표면 상태
축적(Accumulation) VG < 0 정공이 표면에 모임
공핍(Depletion) 0 < VG < VT 공핍층 형성
반전(Inversion) VG =  VT 전자가 모이기 시작
강반전(Strong Inversion) VG >  VT 전자 채널 완성 → MOSFET ON
MOS Capacitor 4가지 동작 모드

 

반도체 소자 분류

  • 수동 소자: 저항 R(Ω), 커패시터 C(F), 인덕터 L(H) — 신호 증폭 불가, 에너지 소비/저장만
  • 능동 소자: 다이오드, BJT, MOSFET — 신호 증폭/스위칭
  • 응용 소자: CIS, DRAM, NAND 등

다이오드 종류: PN(정류) / 쇼트키(고속) / 제너(전압안정화) / LED / 광다이오드
BJT (Bipolar Junction Transistor): 전자와 정공 모두 사용< — 빠르지만 전력 소모 큼, 집적도 낮음

  • 동작 영역: 차단(OFF) / 활성(증폭기) / 포화(스위치 ON)

 

MOSFET ⭐

  • NMOS: P형 기판 + N+ 소스/드레인, 전자 채널
  • PMOS: N형 기판 + P+ 소스/드레인, 정공 채널
  • 공핍형(평소 채널 있음) vs 증가형(평소 채널 없음)

NMOS가 PMOS보다 약 3배 빠른 이유

  • 전자 이동도(μn ≈ 1,350) > 정공 이동도(μp ≈ 480) cm²/V·s
  • 전자는 전도대에서 자유 이동, 정공은 결합 끊고 재형성 → 느림
    (자세한 메커니즘은 1주차 블로그 참고!)

 

⭐ 문턱전압(VT) ⭐

MOSFET이 ON 되는 최소 게이트 전압<. 결정 요소 2가지: 

  1. 산화막(Oxide) 두께 ↓ → VT
  2. 기판 불순물 농도 ↑ → VT ↑ (반전 모드를 위해 더 큰 전압 필요)

 

산화막 얇게 → 누설전류 → HKMG

  • 산화막을 얇게 해서 낮은 전압으로 동작시키는 게 현재 기술의 핵심
  • 너무 얇으면 → 터널링 누설전류 발생
  • 대책: High-K 재료 (Si의 SiO₂ 유전율 3.9보다 큰 HfO₂, ZrO₂ 등)
    → 같은 정전용량을 얻으면서 물리적 두께는 두껍게 유지 가능
  • HKMG (High-K Metal Gate): High-K 절연막 + 금속 게이트 (인텔 45nm부터 도입)

 

MOSFET 동작 영역 (NMOS 기준)


영역 조건 특징
차단 VGS < VT ID= 0, 채널 없음
비포화 VGS > VT, VDS < VGS − VT ID가 VDS에 비례
핀치오프 VDS = VGS − VT 채널이 드레인 쪽에서 끊김
포화 VDS > VGS − VT ID 거의 일정
MOSFET ID-VDS 출력 특성 곡선

 

미세화 부작용 & 대책

2nd Order Effect: 단채널 효과, DIBL, GIDL, 속도 포화 등 — 이상적인 1차 방정식으로 설명 안 되는 현상
핫 캐리어 인젝션 (HCI): 가속된 전자가 산화막에 갇혀 VT 변동

  • 대책: LDD (Lightly Doped Drain) — 드레인 쪽 저농도 N− 영역으로 전기장 완화
LDD 구조 단면도

 
나노스케일 추가 대책

  • Strained Silicon: 격자를 인장(NMOS)·압축(PMOS는 SiGe)해서 캐리어 이동도 향상
  • FinFET → GAA(Gate-All-Around) 구조로 게이트 제어력 강화

3. 반도체 공정 기초

웨이퍼

왜 실리콘인가?

  1. 적절한 밴드갭 (1.12 eV) — 상온 동작 최적
  2. 경제성 — 지구상 산소 다음으로 풍부
  3. 산화막(SiO₂) 형성 용이 — 천연 절연막, 고품질 게이트 산화막 가능

 

결정 구조 & 결정면

  • 다이아몬드 큐빅 구조, 결정 방향에 따라 (100), (110), (111) 면 존재
  • MOSFET → (100) 웨이퍼 (계면 결함 적음, 채널 형성 유리)
  • Bipolar → (111) 웨이퍼
실리콘 결정면 (100), (110), (111) 비교]

 

웨이퍼 재질

종류 사용 예
단결정 (Single Crystal) 반도체 소자 (CPU, 메모리)
다결정 (Poly) Poly-Si 게이트, 태양전지
비정질 (Amorphous) TFT, 디스플레이

 

폴리실리콘 제조

실리카(SiO₂) + 코크스(C) → 고온 환원(~2,000°C) → TCS 정제 → CVD 증착 → 11N급 고순도 폴리실리콘

💡 유리 vs 석영: 둘 다 SiO₂지만 유리는 비정질, 석영은 결정질. 반도체 공정에선 석영 튜브·보트 사용.

 

웨이퍼 제조 Flow

다결정 → 초크랄스키법(CZ) 단결정 잉곳 → 절단(Slicing) → 랩핑 → 식각 → 폴리싱 → 세정 → 검사
 

주의사항: 산소·금속 불순물 최소화, 결함 최소화, 표면 평탄도 Ra<1nm, 입자 오염 방지 (전 공정 클린룸)

초크랄스키법 (잉곳 성장)

 

CMOS Process

NMOS vs PMOS

항목 NMOS PMOS
기판 P형 N형
S/D N+ P+
캐리어 전자 정공
속도 빠름 (~3배) 느림
VT 부호 +

 

CMOS = Complementary MOS

  • NMOS + PMOS를 쌍으로 조합
  • 정적 상태에서 한쪽만 ON → 거의 전류 없음 → 저전력의 핵심
  • 장점: 저전력, 높은 노이즈 마진, 대규모 집적 가능
  • 단점: 스위칭 시 일시적 전류, PMOS 사이즈 키워야 함

구조: P형 기판 위에 N-Well을 만들어 그 안에 PMOS 형성, NMOS는 기판 위 직접 형성

CMOS 인버터 단면 구조도

 

CMOS 공정 모듈 (간략 Flow)

STI → Well 형성 → Gate 산화막/Poly Gate → LDD 주입 → Spacer → S/D 주입 → Salicide → Contact/Via/Metal 배선 → Passivation

💡 Spacer(측벽 절연막)란?

게이트 측면에 형성되는 좁은 절연막(보통 SiO₂ 또는 SiN). 만드는 법:
박막 증착(blanket) → 이방성 식각(etchback) → 평평한 면은 깎이고 수직 측벽에만 남음.

용도: ① LDD와 본격 S/D 도핑 영역을 정밀하게 구분,
② Salicide 형성 시 게이트–S/D 절연,
SADP에서 마스크 역할 (아래 포토 공정 참고)

 

진공(Vacuum)

반도체 공정은 대부분 진공 상태에서 진행
압력 단위: 1 atm = 760 Torr = 101,325 Pa


영역 압력 범위
저진공 10³ ~ 10⁰ Torr
중진공 10⁰ ~ 10⁻³ Torr
고진공 10⁻³ ~ 10⁻⁸ Torr
초고진공 (UHV) < 10⁻⁸ Torr

진공의 목적: 오염 제거 / 반응 제어 / 플라즈마 생성 / 균일한 박막 증착
핵심 개념

  • 이상기체 방정식: PV = nRT
  • 평균 자유 이동 거리(λ): 압력이 낮을수록 λ↑ (1 atm: ~60nm, 10⁻⁶ Torr: ~50m)
  • 단분자층 형성시간: 고진공일수록 길어짐 → 오염 시간 확보

 

진공 펌프 & 게이지

영역펌프게이지
저진공 로터리(RP), 드라이, 다이어프램 Pirani, 콘백트론
고진공 터보 분자(TMP), 크라이오, 이온 Ion Gauge, Penning

팹에서는 드라이 펌프(러핑) + 터보 펌프 조합이 일반적. 펌프는 보통 서브팹(Sub-Fab)에 위치.

 

플라즈마(Plasma)

기체에 에너지를 가해 이온화된 상태 — 물질의 제4상태
구성: 전자, 양이온, 라디칼, 중성 분자, 광자

플라즈마

 

글로우 디스차지 & 파셴 곡선

저압 가스에 전압을 가하면 발광 방전 (형광등·네온사인 원리)

파셴 곡선 (Paschen Curve)

 

  • X축: 압력 × 전극거리(P×d), Y축: 방전 시작 전압
  • 곡선이 최소값을 가짐 — 너무 낮거나 높은 P×d에서는 방전 어려움
  • 가벼운 원소일수록 이온화 에너지가 커서 플라즈마 만들기 어려움

 

DC vs RF 플라즈마

구분 DC 글로우 RF 글로우
전원 직류(DC) 교류(RF) (13.56 MHz)
절연체 사용 불가 가능
응용 일부 스퍼터링 식각, CVD, PVD 대부분

RF가 주류인 이유: 절연체 식각·증착 가능, 13.56 MHz는 ITU 산업용 허가 주파수

CCP vs ICP (HDP)

항목 CCP ICP (HDP)
원리 평행 평판 전극 코일 자기장 유도
플라즈마 밀도 낮음 (10⁹~10¹⁰) 높음 (10¹¹~10¹²)
이온 에너지 제어 어려움 독립 제어 가능
응용 일반 식각, PECVD 정밀 식각, HDP-CVD

 
Self Bias (자기 바이어스) — RF 플라즈마의 핵심 개념
RF 플라즈마에서 이온의 충돌 에너지를 이용하기 위해 두 전극 간에 인위적으로 전위차를 만들어주는 현상
 
발생 원리:

  • 전자는 양이온보다 훨씬 가벼워서 RF 진동을 빠르게 따라감
  • 작은 전극(보통 웨이퍼 쪽)에 전자가 먼저 도달해 음전하가 쌓임
  • 그 결과 자연스럽게 음의 DC 전위(Self-bias) 가 형성됨

활용:

  • 양이온이 이 전위차로 가속되어 웨이퍼 표면을 수직으로 때림
  • 이방성 식각, 스퍼터링<의 동작 원리
  • 별도 RF 바이어스를 인가해서 이온 에너지를 독립적으로 조절하기도 함 (ICP의 dual-frequency 구조)
CCP와 ICP 플라즈마 장비 구조

 
플라즈마 사용 공정: 식각(RIE, ICP) · 증착(PECVD, PVD) · 세정 · 표면 처리

 

클린룸 & 유틸리티

클린룸: 입자·온습도·정전기를 엄격 제어

  • 청정도(Class): 1m³ 중 0.5μm 이상 입자 수 (낮을수록 청정)
  • 최첨단 팹: Class 1 ~ Class 10
  • 온도 22 ± 1°C, 습도 45 ± 5%
  • HEPA/ULPA 필터 + 천장→바닥 수직 단방향 흐름(Laminar Flow)
  • 출입 시 방진복·에어샤워 필수

유틸리티: 초순수(DI Water, 18 MΩ·cm 이상) / 공정 가스 (MFC로 sccm 단위 제어) / 케미컬 / 배기 처리
배기 처리 방식: Burn(소각) / Wet(습식) / Dry(건식) / Plasma — 가스 특성에 따라 선택


4. 팹 8대 공정

웨이퍼 제조 → 산화 → 포토 → 식각 → 박막 증착 → 이온 주입 → 금속 배선 → 패키징/테스트

 

4-1. 포토 공정 (Photolithography) ⭐

빛으로 마스크의 회로 패턴을 웨이퍼에 전사하는 공정. 반도체에서 가장 중요하고 가장 비싼 공정.

 

공정 순서

HMDS → PR 도포(회전 도포) → Soft Bake → 정렬·노광 → PEB → 현상 → Hard Bake → 검사

포토 공정 8단계 플로우

 

  • 장비: TRACK(도포·베이크·현상 자동화), STEPPER/SCANNER(노광)
  • PEB: 화학 증폭형 PR 반응 촉진, 정재파(Standing Wave) 제거
  • 노광 장비 변화: Contact → Proximity → Projection → Stepper → Scanner → EUV Scanner

 

스테퍼(Stepper) vs 스캐너(Scanner) — 마스크 비율과 노광 방식

1:1 노광 (옛 방식: Contact, Proximity)

  • 마스크 크기 = 노광 영역
  • 마스크와 웨이퍼를 거의 붙이고 한 번에 노광
  • 단점: 마스크 손상, 회절로 해상도 한계

4:1 축소 투영 — Stepper ⭐

  • 마스크가 실제 패턴의 4배 크기로 만들어짐
  • 축소 렌즈로 1/4 크기로 웨이퍼에 투영 (=4:1 reduction)
  • 마스크 제작이 4배 쉬워지고 결함 영향이 1/16로 줄어듦
  • 한 번에 웨이퍼 전체가 아니라 한 필드(die 한 개 또는 여러 개) 만 노광
  • 노광 → Step(다음 위치로 이동) → 노광 → … 반복 → 그래서 이름이 'Stepper'

Scanner (현재 주류, EUV도 이 방식)

  • 4:1 축소 비율은 동일
  • 마스크와 웨이퍼를 좁은 슬릿(slit)으로 동기화 스캔하며 노광
  • 장점: 더 큰 필드, 균일도 우수, 렌즈 일부만 사용해 광학 부담↓

💡 정리: 1:1은 옛날 방식, 현대는 4:1 축소 + Stepper(스텝) 또는 Scanner(스캔). EUV는 모두 Scanner.

 

UV 광원 파장 변화

광원 파장 적용 노드
g-line 436 nm ~0.5 μm
i-line 365 nm 0.35 μm
KrF 248 nm 250 ~ 130 nm
ArF 193 nm 90 ~ 65 nm
ArF Immersion 193 nm (액침) 45 ~ 7 nm
EUV 13.5 nm 7 nm 이하

 

감광액(PR)

  • 주요 특성: 분해능 · 명암대비 · 감도 ⭐ (가장 중요한 3대 특성), 점도, 점착력, 식각 저항성
  • 조성: 수지(Resin) + 감광제(PAC/PAG) + 용매 + 첨가제
  • 종류: 포지티브(노광부 녹음, 현대 주류) vs 네거티브(노광부 굳음)

 

해상도와 초점심도  - 핵심 공식

R = k₁ × (λ / NA)
DoF = k₂ × (λ / NA²)

  • λ: 광원 파장, NA: 개구수, k₁·k₂: 공정 상수
  • λ↓ → R↑ (좋음)
  • NA↑ → R↑, 단 DoF↓
  • 해상도(R)는 작을수록 좋고, DoF는 클수록 좋음 — 서로 상충 관계

 

해상도 향상 3가지 방향

  1. λ 줄이기 → EUV 13.5nm
  2. NA 키우기 → ArF Immersion(물 사용, n=1.44), High-NA EUV(NA 0.55)
  3. k₁ 줄이기 → OPC, 멀티 패터닝(SADP, SAQP)

 
미세 패턴 기술
① ArF Immersion (액침 노광)
빛이 매질을 통과할 때 매질의 굴절률(n)에 따라 유효 파장이 달라진다는 점을 이용한 기술.

  • NA = n × sin(θ) — 렌즈와 웨이퍼 사이를 공기(n=1)에서 물(n=1.44)로 바꾸면 NA가 그만큼 커짐
  • 공기에서는 NA 약 0.93이 한계지만, 물을 채우면 NA 1.35까지 달성 가능
  • 실효 파장: 193 nm / 1.44 ≈ 134 nm 효과
  • 멀티 패터닝과 결합해 45nm부터 7nm까지 광범위하게 활용
  • 단점: 물에 의한 결함(거품·입자) 제어가 까다롭고 광학계가 복잡

② OPC (Optical Proximity Correction, 광학 근접 보정)
패턴이 작아질수록 회절·간섭으로 실제 웨이퍼 패턴이 마스크 모양과 달라지는 현상을 미리 보정.

  • 발생하는 왜곡 종류
    • 모서리 라운딩: 사각형 모서리가 둥글어짐
    • Line-end shortening: 선 끝이 짧아짐
    • 선폭 변화 (MEEF): 주변 패턴 밀도에 따라 선폭이 달라짐
  • 보정 방법: 마스크에 보조 패턴을 추가
    • Hammer head (T자형): 선 끝 단축 보정
    • Serif (모서리 돌출): 모서리 라운딩 보정
    • SRAF (Sub-Resolution Assist Feature): 고립 패턴 옆에 미세한 보조 패턴 추가 — 노광은 안 되지만 회절 패턴을 보정
  • 컴퓨터 시뮬레이션으로 마스크 디자인을 <u>사전 보정</u>해서 제작

③ SADP (Self-Aligned Double Patterning)
한 번 노광으로 만들 수 없는 미세 피치 패턴을 두 단계로 나눠 만드는 기법. EUV 도입 전 7~10nm 노드의 핵심 기술이었음.

🔑 핵심 아이디어: 추가 포토 공정의 PR 마스크 대신, Spacer를 만들어 이를 식각 마스크로 활용한다!
 즉 두 번째 노광이 필요 없음 — 첫 노광으로 만든 패턴의 측벽에 자연스럽게 생기는 spacer가 새로운 마스크가 됨.
그래서 이름이 'Self-Aligned'.

 
핵심 과정 4단계:

  1. Mandrel(코어) 패턴 노광·식각 — 일반 노광으로 만들 수 있는 피치로 1차 패턴 형성
  2. Spacer 증착 — Mandrel 측벽에 얇은 박막을 균일하게 증착 후 이방성 etchback → 측벽에만 spacer 남음
  3. Mandrel 제거 — 측벽 spacer만 남고 코어는 사라짐
  4. Spacer를 마스크로 식각최종 피치가 원래의 절반
  • Self-align 방식이라 오버레이 오차가 없음 (가장 큰 장점)
  • 한 번 더 반복하면 SAQP: 피치 1/4까지 가능
  • 단점: 공정 스텝 수 2~4배 증가 → 비용·시간 부담
  • → 그래서 EUV로 한 번에 그리는 게 궁극적 해결책

 

EUV vs ArF Immersion

항목ArF ImmersionEUV
파장 193 nm 13.5 nm
환경 대기 + 물 진공
광학계 굴절 렌즈 반사 미러
마스크 투과형 반사형
펠리클 사용 가능 사용 어려움 (광 흡수)
비용 상대적 저렴 매우 고가 (1대 2,000억 원 이상)

ASML이 EUV 장비 사실상 독점 공급


4-2. 식각 공정 (Etching)

종류

  • 습식 식각(Wet): 액체 화학물질 — 등방성, 저비용
  • 건식 식각(Dry): 플라즈마·반응성 가스 — 이방성, 정밀 (주류)
  • Lift-Off: 옛 방식, 현재 거의 사용 안 함
  • 다마신(Damascene): 절연막에 트렌치 파고 금속을 채운 뒤 CMP로 깎음 — 구리(Cu) 배선에 사용

 

주요 파라미터

  • 식각 속도(Etch Rate), 균일도, 선택비(Selectivity), 이방성
  • 식각 바이어스(Etch Bias): 마스크 패턴 폭과 실제 식각 폭의 차이
  • 에치 스큐: 좌우 비대칭 식각
  • 언더컷(Undercut): 마스크 아래로 옆 깎임 (습식·등방성에서 흔함)

 

Under / Over Etch

  • Under Etch: 덜 깎임 → 잔류물 발생
  • Over Etch: 더 깎임 → 하부막 손상
  • 실제로는 약 10~30% 오버 에치를 줘서 잔류물 제거

 

이방성(Anisotropic) vs 등방성(Isotropic)

식각 프로파일 비교 — 이방성/등방성
구분 이방성 등방성
식각 방향 수직 모든 방향
주로 건식(RIE) 습식
패턴 정확도 우수 떨어짐 (언더컷)
미세 패턴 적합 부적합

 

로딩 효과 (Loading Effect)

패턴 밀도·크기에 따라 식각 속도가 달라지는 현상

  • Micro Loading: 패턴 크기(Size) 차이에 의한 식각 속도 차
    • 좁은 트렌치 → 반응 가스 공급 부족 → 속도↓
    • 종횡비가 클수록 심해짐 → ARDE (Aspect Ratio Dependent Etching)
  • Macro Loading: 패턴 밀도(Density) 차이에 의한 식각 속도 차
    • 패턴 밀집 영역 → 가스 소모↑ → 속도↓

→ 대책: 챔버 압력 · 가스 비율 · 시간 보정으로 튜닝
 

습식식각 (Wet Etching) 

액체 화학물질이 표면과 화학 반응해 막을 녹임. 등방성이라 미세 패턴엔 부적합하지만 저비용·고속·고선택비가 강점.
 
주요 식각액

막질 식각액 특징
SiO₂ HF (불산) 산화막 식각의 대표
Si (이방성) KOH, TMAH (111)면 거의 안 깎임 → V-groove
Si₃N₄ H₃PO₄ (열인산) 고온(160°C) 사용
Al Phosphoric + Nitric + Acetic Wet Al etchant
Cu HNO₃, FeCl₃ 옛 방식 (현재는 거의 다마신)

→ 주 용도: 대면적 박막 제거(strip), 세정 직전 자연산화막 제거, 백사이드 식각

 

건식식각 (Dry Etching) 

플라즈마와 반응 가스로 막을 깎는 방식. 이방성·정밀·고선택비로 현대 미세 공정 주류.
플라즈마 식각에 요구되는 특성

  • 이방성: 수직 방향 식각 (선폭 정확도)
  • 선택비: 다른 막 대비 목적 막을 잘 깎음
  • 균일도: 웨이퍼 내·웨이퍼 간 일관성
  • 식각 속도: 생산성

 
건식식각의 종류

종류 메커니즘 특징
물리적 (Sputter Etch) 이온이 표면을 때려 물리적으로 떼냄 완벽한 이방성, 낮은 선택비
화학적 (Plasma Etch) 라디칼이 표면과 반응해 휘발성 화합물 생성 등방성, 높은 선택비
복합 (RIE) 물리+화학 동시 이방성과 선택비 동시 확보 

공정 변수: 챔버 압력, 가스 종류·유량, RF 파워(Source·Bias 분리), 온도, 자기장
 
 
건식 식각 장비 비교

장비 플라즈마 밀도 특징 응용
RIE (CCP) 낮음 단순·저렴 일반 산화막·질화막
ICP 높음 소스/Bias 분리 제어 게이트, 메탈, HAR
ECR 매우 높음 마이크로파 + 자기장 정밀 식각
MERIE 중간 RIE + 자기장으로 밀도↑ 중간 영역

 
식각 가스 종류 (목적 막에 따라)

식각 대상 가스 부산물
SiO₂, Si₃N₄ CF₄, CHF₃, C₄F₈ (불소계) SiF₄ ↑
Si, Poly-Si SF₆, Cl₂, HBr SiCl₄, SiBr₄
Al Cl₂, BCl₃ AlCl₃
W (텅스텐) SF₆, NF₃ WF₆
첨가 O₂ (포토레지스트 제거), Ar (이온 충격)

→ 핵심 원리: 휘발성 부산물을 만들어 펌프로 빼내는 것
 
 
건식식각 주요 사용 부위

  • 게이트 패터닝 (Poly-Si)
  • STI 트렌치 식각
  • Contact / Via 홀
  • 메탈 배선 식각
  • DRAM 커패시터, NAND 채널홀(HAR 식각)

 

식각 공정 방식 비교

항목 습식 건식
식각제 액체 화학물질 플라즈마·가스
방향성 등방성 이방성
선택비 높음 중간~높음
미세 패턴 부적합 적합
비용 저렴 비쌈
처리량 빠름 보통
용도 대면적, 세정, 자연산화막 모든 패터닝 공정 주류

4-3. 박막 공정 (Thin Film Deposition)

박막의 중요성과 종류

박막(Thin Film)은 회로의 절연·도전·보호층을 형성하는 모든 막. 현대 칩에는 수십 층이 쌓임.


종류 예시 용도
절연막 SiO₂, Si₃N₄, High-K (HfO₂) 게이트, IMD, Passivation
금속막 Al, Cu, W, Ti, TiN, Co 배선, 컨택, 배리어
반도체막 Poly-Si, a-Si, SiGe 게이트, 채널, Strained

 

박막의 품질 지표

  • 두께 균일성(Uniformity): 웨이퍼 내·간 일관성
  • 단차 피복성(Step Coverage): 단차 위·옆·아래에 얼마나 균일하게 덮는가
  • 갭 필링(Gap Filling): 좁고 깊은 홈을 빈 공간 없이 채우는가
  • 막 밀도, 응력, 결정성

 

박막 공정 종류

물리적 증착 (PVD, Physical Vapor Deposition)

  • 원리: 물리적으로 원자를 떼어내 웨이퍼에 증착
  • 종류
    • 스퍼터링(Sputtering): Ar+ 이온이 타겟을 때려 원자 튀어나옴 → 웨이퍼 증착
    • 증발법(Evaporation): 재료 가열해 증발시켜 증착
  • 장점: 빠름, 다양한 금속 가능, 저온
  • 단점: 단차 피복성 낮음, 갭필 어려움
  • 주 용도: 금속 배선(Al, Ti, TiN)

 
화학적 증착 (CVD, Chemical Vapor Deposition)

  • 원리: 가스 전구체가 웨이퍼 표면에서 화학 반응해 막 형성
  • 반응 예: SiH₄ + O₂ → SiO₂ + 2H₂

 

CVD 종류 압력·온도특징용도 특징 용도
APCVD 대기압 빠름, 단차피복 낮음 옛 방식
LPCVD 저압, 고온 균일도·단차피복 우수 Poly-Si, Si₃N₄
PECVD 저온 + 플라즈마 저온(<400°C) 가능 IMD, Passivation
HDP-CVD 고밀도 플라즈마 갭필 우수 STI 갭필
MOCVD 유기금속 전구체 화합물 반도체용 GaN, GaAs
  • 장점: 균일성·단차피복성 우수
  • 단점: 고온 필요(LPCVD), 전구체 비쌈

 

원자층 증착 (ALD, Atomic Layer Deposition)

  • 원리:한 원자층씩 자가제한적(Self-limiting)으로 증착
  • 사이클: 전구체 A 주입 → 퍼지 → 전구체 B 주입 → 퍼지
  • 장점: 극도의 정밀도, 완벽한 단차피복, 두께 제어성 최강
  • 단점: 매우 느림 (사이클당 0.1~1Å)
  • 주 용도: High-K(HfO₂), DRAM 커패시터, NAND 전하저장막
ALD

 

PVD / CVD / ALD 비교

 

항목 PVD CVD ALD
원리 물리 (충격) 화학 (반응) 화학 (자가제한)
속도 빠름 보통 매우 느림
단차피복 낮음 좋음 완벽
두께 제어 보통 좋음 원자 단위
온도 저온 고온 (PECVD는 저온) 중저온
응용 금속 배선 절연막 일반 High-K, 캐패시터

 

DRAM·NAND 응용 예

  • DRAM 커패시터: ALD HfO₂ (high-k 유전체) + TiN 전극
  • NAND 전하저장: ALD Si₃N₄ (charge trap)
  • NAND 워드라인 W: CVD 텅스텐
  • 금속 배선: PVD TiN 배리어 + Cu 도금

4-4. 산화 공정 (Oxidation)

웨이퍼의 Si 표면을 산화시켜 SiO₂ 절연막을 만드는 공정.

 

산화막의 용도

  • 게이트 절연막 (얇은 고품질)
  • 필드 산화막(STI 이전 방식), 소자 분리막
  • 이온 주입 마스크/방지막
  • 하드마스크, Pad oxide

 

산화 vs 증착의 결정적 차이

구분 산화 증착(CVD)
원료 웨이퍼의 Si 소비 외부 가스
두께 한 두께만큼 Si가 줄어듦 Si 그대로
막 품질 매우 우수(고밀도, 결함 적음) 보통
위치 Si 표면에서만 가능 어디든

산화막 두께의 약 44%는 원래 Si 표면 아래, 56%는 위로 자람

 

건식 산화 vs 습식 산화

구분 건식 (Dry) 습식 (Wet)
가스 O₂ H₂O 증기
반응 Si + O₂ → SiO₂ Si + 2H₂O → SiO₂ + 2H₂
속도 느림 빠름 (5~10배)
막 품질 고품질 (게이트용) 보통 (필드용)
용해도 H₂O가 Si에서 용해도 ↑ → 두꺼운 막 가능  
두께 얇은 막 두꺼운 막

산화 레시피 예

  • 게이트 산화막: Dry O₂, 850~1000°C, ~수 nm
  • 필드 산화막: Wet steam, 1000~1100°C, ~수백 nm

 

할로젠 산화 (Halogen Oxidation)

  • HCl 또는 TCA를 O₂에 첨가
  • 금속 오염물 제거 (Cl이 금속과 결합해 휘발)
  • 산화막 품질과 신뢰성 향상

 

산화막 결함

  • 계면 결함(Interface Trap): Si-SiO₂ 경계의 비결합 결합
  • 댕글링 본드(Dangling Bond): 짝을 못 찾은 Si 결합 → VT 변동, 누설전류
  • 대책: H₂ 어닐링으로 댕글링 본드를 -OH/-H로 종단

 

산화 장비

  • 수평 퍼니스(Horizontal Furnace): 옛 방식, 작은 웨이퍼
  • 수직 퍼니스(Vertical Furnace): 현재 주류, 300mm 웨이퍼, 회전 가능 → 균일도↑
  • RTP(Rapid Thermal Processing): 초박막용, 매우 짧은 시간 고온

 

라디칼 산화 (Radical Oxidation)

  • 플라즈마로 활성 산소 라디칼 생성
  • 저온에서도 가능 (~700°C)
  • 미세 패턴, 3D 구조에 균일하게 산화 가능

4-5. 이온주입 공정 (Ion Implantation)

도펀트(P, B 등)를 이온 형태로 가속해 웨이퍼에 박아넣는 공정.

 

도핑 방식 두 가지

방식 원리 현재 사용
확산(Diffusion) 고온에서 도펀트가 농도차로 침투 거의 안 씀 (Pre-deposition + Drive-in)
이온 임플란트 이온을 가속해 충돌 주입 현재 표준

 

이온 임플란트 원리

이온 소스 → 분석 자석(Mass Analyzer) → 가속부 → 빔 스캔 → 웨이퍼

  • 분석 자석(Analyzer Magnet): 같은 m/q 값 이온만 선별 → 순수도 보장
  • 가속부: 에너지 조절 (수 keV ~ 수 MeV)
  • 빔 스캔: 웨이퍼 전체 균일 주입

 

핵심 변수

  • 에너지 ↑ → 깊이 ↑ (수십 nm ~ 수 μm)
  • 도즈(Dose): 단위 면적당 이온 수 (cm⁻²)
  • 도펀트별 깊이 분포: 가우시안 형태 (Rp = 평균 깊이, ΔRp = 분포 폭)

 

적용 예

영역 도펀트 에너지 도즈
Deep Well P, B 높음 (~MeV) 중간
N-Well / P-Well P / B 중간 중간
V<sub>T</sub> Adjust B, P 낮음 낮음
LDD P, As 낮음 낮음
S/D As, BF₂ 낮음 매우 높음 (10¹⁵)

 

주요 이슈: 채널링(Channeling)

이온이 결정 격자 방향과 일치하면 깊숙이 침투하는 현상 → 깊이 분포 불균일

방지 방법

  • 웨이퍼 틸팅(~7°): 결정 격자에 비스듬히 입사
  • Dummy Oxide Layer: 표면에 비정질 산화막 → 이온 랜덤화
  • Pre-amorphization: Ge 등으로 표면 비정질화
채널링 현상

어닐링(Annealing) — 후처리 필수

이온 주입 시 결정 격자 손상 발생 → 어닐링으로 복구

  • 격자 손상 복구
  • 도펀트 활성화 (격자 자리로 이동해야 캐리어 역할)
  • 방식: RTA(Rapid Thermal Annealing, ~수 초), Furnace Annealing, Laser Annealing

 

도핑층 측정

  • SIMS (Secondary Ion Mass Spectrometry): 깊이별 농도 프로파일
  • 4점 프로브(Four-Point Probe): 면저항(Sheet Resistance) → 활성화 도즈 추정
  • SRP (Spreading Resistance Profiling): 깊이별 저항

4-6. 배선 공정 (Metallization)

배선의 중요성

  • 트랜지스터 자체보다 배선의 RC delay가 칩 속도의 병목
  • 미세화 → 배선 단면적 ↓ → 저항 ↑ → 신호 지연 ↑ → 저저항 재료 필수

 

배선 공정 구성

컨택 → 1st Metal → Via1 → 2nd Metal → Via2 → … → Top Metal → Passivation

  • 컨택(Contact): Si ↔ 1차 금속 연결 (보통 W 사용)
  • 비아(Via): 금속 ↔ 금속 (상하부) 연결 (Cu 또는 W)

 

실리사이드(Silicide) 공정

게이트 폴리·S/D 위에 금속 실리사이드(TiSi₂, CoSi₂, NiSi)를 만들어 접촉 저항을 낮춤.

순서: 금속 증착 → 1차 어닐 → 미반응 금속 제거 → 2차 어닐 (Salicide = Self-Aligned Silicide)

 

텅스텐(W) 플러그 — 컨택용

  • 재료: 갭필 능력 우수, 고온·고전류 안정성
  • 컨택홀에 W를 채워 Si와 1차 금속 연결
  • 공정 순서: Ti/TiN 배리어 증착 → W CVD 증착 → CMP 평탄화

 

알루미늄(Al) vs 구리(Cu) 비교

 

항목 Al Cu
비저항 (μΩ·cm) 2.7 1.7 (낮음)
EM 내성 약함 강함
식각 RIE 가능 식각 어려움 → 다마신 사용
도금 어려움 전해도금(ECD) 가능
현재 옛 방식 현재 주류

 

Al 배선의 문제점

  • Junction Spike: 고온에서 Al이 Si로 확산 → 접합 파괴
  • Hillock: 열응력으로 Al 표면이 돌출
  • EM (Electromigration): 전류로 인한 Al 원자 이동 → 단선·단락

EM은 미세화될수록 심각 → Cu 배선 전환의 결정적 이유

 

구리(Cu) 배선 공정 — 다마신(Damascene)

Cu는 식각이 어려워 반대 방식으로 진행:

 

Single Damascene (싱글)

  1. 절연막 증착
  2. 트렌치 식각
  3. 배리어 메탈(TaN/Ta) PVD
  4. Cu 시드층 PVD
  5. Cu 전해도금(ECD) — 트렌치를 Cu로 채움
  6. CMP로 표면 평탄화 (트렌치 안에만 Cu 남음)

Dual Damascene (듀얼): 비아 + 트렌치를 한 번에 식각·도금 → 공정 스텝 단축

 

Cu 전해도금 (ECD)

  • 전해액: CuSO₄ + H₂SO₄ + 첨가제(Accelerator, Suppressor, Leveler)
  • 첨가제로 Bottom-up Fill 유도 → 빈 공간 없이 채움

 

차세대 배선 재료

  • Co (코발트): 미세 노드 컨택/비아용
  • Ru (루테늄): 배리어리스 배선 후보
  • 그래핀, 카본나노튜브: 연구 단계

4-7. CMP 공정 (Chemical Mechanical Polishing)

평탄화 방법

방법 원리 힌계
Etch back 전면 식각 평탄도 제한
Reflow 가열로 흐름 유도 BPSG 등 일부만
Polyimide coating 폴리머로 채움 영구막 X
CMP 화학+기계 연마 현대 표준

 

CMP 원리

화학적 반응(슬러리)이 표면을 약화 + 기계적 마찰(패드)이 깎아냄
→ 둘이 동시에 작용해야 정밀한 평탄화 가능 (Synergy)

 

CMP 장비 구성

  • Polishing Pad (회전)
  • Wafer Carrier (압력·회전)
  • Slurry 공급 노즐
  • Conditioner (다이아몬드 디스크): 패드 표면 재생
CMP 장비 수조

CMP 종류

종류 대상 막슬러리
Oxide CMP SiO₂ (STI, ILD, IMD) SiO₂ 또는 CeO₂ 연마제 + KOH
Metal CMP W, Cu, Al Al₂O₃ 연마제 + 산화제(H₂O₂)
Poly CMP Poly-Si 알칼리 슬러리

 

CMP 슬러리 구성

  • 연마제(Abrasive): SiO₂, CeO₂, Al₂O₃ — 기계적 마찰 담당
  • 용제(Chemical): KOH(산화막), H₂O₂(금속) — 화학 반응 담당
  • 첨가제: 분산제, pH 조절제, 부식 방지제

 

공정 변수 & 파라미터

  • 압력, 회전 속도, 슬러리 유량, 패드 컨디셔닝
  • 연마 속도(Removal Rate) = 압력 × 속도 (Preston's Equation)
  • 평탄도, 균일도, 연마 선택비

 

CMP 결함과 대책

 

결함 원인 대책
Dishing 넓은 금속이 더 깎임 (오목) 슬러리 선택비 조정
Erosion 패턴 밀집 영역 전체가 깎임 더미 패턴 추가 (DFM)
Scratch 큰 입자가 표면을 긁음 슬러리 필터링
Particle / Chemical Contamination 잔류물 Post-CMP 세정 강화
디싱과 에로젼
DFM (디싱과 에로전 대책)

 

Post-CMP Cleaning

CMP 후 세정은 필수 — 슬러리 입자·화학물질이 다음 공정 품질에 직격타

  • Brush cleaning + Megasonic (초음파) + DI 린스

4-8. 세정 공정 (Cleaning)

목적

입자·금속·유기물·자연산화막 제거 → 다음 공정의 품질 보장

 

웨이퍼 오염 종류

오염원 영향 예시
파티클 결함, 단선·단락 먼지, 슬러리 잔류
금속 이온 누설전류↑, 수명↓ Fe, Cu, Ni
유기물 박막 결합 불량 PR 잔류, 기름
자연 산화막 접촉 저항↑ 대기 노출 시 Si 표면 SiO₂

 

세정 공정의 종류

구분 용도
습식 세정 입자·금속·유기물 제거의 주력
건식 세정 자연산화막·유기물(플라즈마/UV)

 

습식 세정 방식

  • 딥(Dip) 방식: 케미컬 탱크에 담금 — 처리량↑
  • 스프레이(Spray) 방식: 분사 — 케미컬 사용량↓, 균일도↑

 

RCA 세정 — 습식 세정의 표준

단계 케미컬 주 목적
SC-1 NH₄OH + H₂O₂ + H₂O 입자·유기물 제거
SC-2 HCl + H₂O₂ + H₂O 금속 이온 제거
Piranha H₂SO₄ + H₂O₂ 유기물·PR 제거
HF Dip HF + H₂O 자연산화막 제거

 

습식 세정의 한계

  • 케미컬·DI Water 소모 많음
  • 미세 패턴은 모세관력으로 패턴 무너짐 (Pattern Collapse)
  • 폐수 처리 부담

 

건조 (Drying)

  • IPA(이소프로필알코올) 마란고니 건조 — 표면장력 차이 이용
  • 스핀 드라이 (회전 원심력)

 

건식 세정

  • 장점: 케미컬 사용량↓, 폐수↓, 미세 패턴 손상↓
  • 단점: 입자 제거 어려움
종류 제거 대상 방식
플라즈마(Ashing) 유기물(PR) O₂ 플라즈마
UV/오존 유기물 UV로 오존 생성·산화
NF₃ Remote Plasma 자연산화막 화학적 식각

→ 플라즈마 세정이 가장 중요 (PR 제거 = Ashing 공정)

 

습식 vs 건식 세정 비교

항목 습식
건식
입자 제거 우수 약함
미세 패턴 손상 위험 적음
처리량 빠름 보통
비용 케미컬·폐수↑ 가스 비용↑
추세 점차 축소 증가 (특히 미세 노드)

 

목차 5. 팹 공정 기타

측정 및 검사가 중요한 이유

매 공정 후 측정·검사로 품질 확인이 안 되면 수율 폭락. 검사 비용이 전체 팹 운영비의 상당 부분.

 

공정별 주요 검사 항목

공정 측정 항목
포토 CD, 오버레이, PR 두께
식각 식각 깊이, 프로파일, 잔류물
박막 증착 두께, 균일도, 굴절률
이온 주입 도즈, 깊이 (SIMS)
CMP 평탄도, 두께, Dishing
배선 저항, EM

 

검사 장비 종류

장비 측정 원리
광학 현미경 표면 결함 가시광
SEM 미세 패턴, 단면 전자빔
TEM 원자 단위 구조 투과 전자빔
AFM 표면 굴곡 (3D) 미세 탐침
엘립소미터 박막 두께·굴절률 편광
XRF / XRD 막 성분·결정성 X선
SIMS 깊이별 농도 2차 이온 분석
4-Point Probe 면저항 전기 측정

 

파티클 검사

  • 레이저 산란으로 표면 입자 카운팅 (예: KLA-Tencor)
  • 위치·크기·개수 맵으로 출력

 

PCM 테스트 (Process Control Monitoring)

웨이퍼 가장자리·중앙에 만든 테스트 패턴으로 전기적 특성 확인

  • VT, Idsat, Ioff, 저항, 커패시턴스 등

 

MOSFET 전기적 특성

  • 문턱전압(VT): ON되는 게이트 전압
  • 포화전류(ID,sat): ON 상태 최대 전류 — 속도
  • 누설전류(Ioff): OFF 상태 전류 — 전력
  • → 이 3가지로 트랜지스터 품질 평가

 

프로세스 윈도우 & 웨이퍼 맵

  • 프로세스 윈도우: 두 가지 변수(예: 노광 시간 vs 포커스)에 따라 양품이 나오는 범위
  • 웨이퍼 맵: 웨이퍼 위치별 양품/불량 분포 시각화 → 공정 문제 진단

 

수율(Yield) & 신뢰성(Reliability)

  • 수율: 한 웨이퍼당 양품 칩 비율 — 직접적 수익 지표
  • 신뢰성: 시간이 지나도 정상 동작하는가
    • WLR (Wafer Level Reliability): 웨이퍼 상태로 가속 시험
    • PLR (Package Level Reliability): 패키지 후 시험
  • 항목: HCI, TDDB, NBTI, EM 등

 

불량 분석 (Failure Analysis)

  • 불량 위치 발견 → SEM/TEM 단면 → 원인 규명 → 공정 개선
  • 미세 노드일수록 단일 결함이 칩 전체를 죽임

 
 
1주차 반도체 개론에 이어 2주차에서는 반도체의 공학 기초에 대해 학습하였습니다!
 
물성 이론부터 실제 팹의 공정까지, 처음 보면 용어 하나하나가 낯설지만 큰 흐름을 잡고 나면 결국 "전자/정공을 어떻게 만들고, 어떻게 움직이게 하느냐" 그리고 "미세화의 한계를 어떻게 돌파하느냐"로 모든 게 연결되는 것 같습니다.
 
 
다음 주 주제는 반도체 설계 및 소자이론 입니다.

  • 이번 주에 배운 소자(MOSFET, BJT) 가 회로에서 어떻게 동작하는지
  • 트랜지스터 모델링, 소자 파라미터, I-V 특성의 디테일
  • 회로 설계로 이어지는 핵심 개념들

 
다음주는 개념 위주의 회고에 대해 진행해보겠습니다! 
읽어주셔서 감사합니다 🙇‍♀️