반도체 8대 공정 개요 3 - 증착/이온주입

반도체 8대 공정 개요 3 - 증착/이온주입

이 글에서는 반도체 8대 공정 중 증착/이온주입에 대해 알아볼 것이다. 앞서 산화막을 형성하는 공정에 대해 설명했는데, 반도체 제조 과정에서 필요한 막은 산화막 외에도 금속막/절연막 등 다양한 종류가 있다. 그러한 막을 형성하는 공정을 증착 공정이라고 한다. 박막을 증착한 뒤, 원하는 전기적 성질을 얻어내기 위해 이온주입이라는 과정을 거친다. 아래에서 반도체 8대 공정 중 증착 공정과 이온주입 공정에 대해 다뤄보겠다.

(이 시리즈 글은 줄글로 작성됐다. 그 이유는 반도체 취준 과정에서 면접을 준비할 때, 논리적인 구조로 말하는 (설명하는) 연습이 필요하기 때문이다. 이 글이 그런 연습에 도움 되길 바란다.)

반도체 8대 공정

1. wafer 제조 (웨이퍼 제조)
2. oxidation (산화)
3. photolithography (포토리소그래피)
4. etching (식각)
5. deposition & ion implantation (doping) (증착 & 이온주입 (도핑))
6. metallization (금속배선)
7. EDS (electrical die sorting)
8. packaging (패키징)

5. deposition (증착)

deposition (증착) 공정은 웨이퍼 위에 막(film)을 형성하는 공정이다. 보통 nm 사이즈의 얇은 막을 형성하기 때문에 박막 공정 (thin film 공정)으로 불리기도 한다. 증착 공정 방법은 대표적으로 CVD, PVD, ALD 방식이 있다. 아래에서 하나씩 살펴보도록 하겠다.

1) CVD (chemical vapor deposition, 화학기상증착)

원하는 물질이 포함된 gas와 웨이퍼 간 화학반응을 일으켜 웨이퍼 표면에 박막을 증착하는 방식이다. 우선, furnace 또는 chamber에 웨이퍼를 넣고 gas를 주입한다. 열이나 플라즈마를 이용해 화학반응에 필요한 에너지를 공급한다. activation energy (활성화 에너지) 이상으로 에너지가 공급되면, gas와 웨이퍼 표면이 반응하여 웨이퍼 표면 위에 박막이 증착된다. 공정 조건 세팅에 따라 APCVD, LPCVD, PECVD 등으로 나뉜다.

2) PVD (physical vapor deposition, 물리기상증착)

원하는 물질이 포함된 target 물체을 물리적인 방법으로 떼어내 웨이퍼 표면 위에 쌓이게 하여 박막을 증착하는 방식이다. PVD는 다시 스퍼터링(sputtering)과 evaporation으로 나눌 수 있다. 보통 스퍼터링 방식을 사용한다. 스퍼터링은 반응을 일으키기 위해 전자기 에너지를 이용한다. 충돌을 위해 주입된 gas 입자가 chamber 내부에 형성된 전자기장에 의해 target과 충돌하면, target 입자가 떨어져 나온다. 떨어져 나온 입자가 웨이퍼 위에 쌓여서 박막이 형성된다.

3) ALD (atomic layer deposition, 원자층증착)

CVD를 발전시킨 방식으로, CVD 공정 과정을 cycle로 반복하면서 증착하고자 하는 박막을 원자층 두께만큼 얇게 형성하는 방식이다. 반도체가 지속적으로 scaling down 됨에 따라 더 얇은 박막을 구현해야 하므로, 최근 가장 주목받는 증착 방식이 되었다. 학계에서도 많은 연구가 진행되고 있고, 양산 쪽에서도 실제로 많이 사용되고 있다. 

5. ion implantation (doping) (이온주입 (도핑))

이온주입은 높은 에너지를 이용해 웨이퍼 표면을 파괴시켜 웨이퍼 내에 불순물을 주입하는 공정이다. 이온주입 공정을 총을 쏘는 것에 비유할 수 있다. 총알을 장전하고 총을 쏴 원하는 표적을 맞추는 것과 유사하다. 이온주입 공정에서는 이온(불순물)이라는 총알을 전극판/자석/렌즈 등으로 구성된 총을 통해 발사시켜 웨이퍼라는 표적에 맞춘다. 이렇게 웨이퍼에 불순물을 주입하는 것을 도핑이라고 하는데, 도핑을 하는 이유는 웨이퍼의 전기적인 특성을 변화시키기 위해서이다. 이온주입 공정에서 도핑 물질(dopant)의 종류와 농도를 조절해 요구되는 스펙에 맞는 전기적 특성을 구현해 낸다. (이 문단에서 이온=불순물=도핑 물질=dopant 모두 같은 의미로 이해하면 된다.)