[반도체 A to Z] 반도체 개요부터 생산 공정까지

삼성전자 축구장 16개 크기 평택 2라인[사진=연합뉴스]

반도체는 무엇인가

반도체는 전기가 통하기도 하고 안 통하기도 하는 성질을 이용한 다이오드, 트랜지스터, 카페시터 등 ‘반도체 소자’를 지칭한다. 다이오드는 전류 흐름에 대한 ‘밸브’, 트랜지스터는 전기 신호를 증폭시키는 ‘스위치’, 콘덴서는 전기를 저장하거나 흘려주는 ‘임시 창고’ 역할 담당으로 이해하면 된다.

반도체 소자(구성요소)들을 회로로 다양하게 연결해 전기 신호를 증폭시키고 이 신호를 빛이나 소리 등으로 변환하거나 디지털 데이터로 전환시킬 수 있다. 데이터를 저장하고 기억하며 논리에 따라 연산과 제어도 할 수 있다. 그래서 전기 신호의 통제 기능을 담당하는 뇌의 역할을 한다. 그래서 전자 기기에 이 반도체 소자 간 연결이 꼭 들어간다.

핸드폰과 컴퓨터 기기에는 반도체 소자들이 얼마나 들어갈까?

수 백만개부터 수 십억개의 반도체 소재 트랜지스터가 필요하다. 이 반도체 소자를 아주 작게 만들어 층층이 쌓아 올린 걸 ‘IC(Integrated Circuit)’ 집적 회로라고 부르고 이것이 일반적으로 흔히 말하는 반도체 칩이다.

손톱만큼 작은 칩에 수 십억개 트랜지스터가 들어 있다. 아주 세밀하게 만들 수 있는 나노 공정이 발전돼 더 작고, 빠른 반도체 칩이 만들어질 수 있었다. 이 반도체 칩 덕분에 컴퓨터, 노트북, 스마트폰 생산이 가능했다. 모두가 반도체를 작게 만들어 이뤄질 수 있었던 일이다. 반도체를 ‘전자산업의 쌀’로 부르는 이유다.

반도체 산업을 이해하기 위해서는 우선 반도체 칩이 어떻게 만들어지는 지 이해해야 한다. 작은 칩에 수많은 반도체 소자를 쌓는 과정은 마치 샌드위치 재료 혹은 피자 도우에 토핑을 얹는 과정과 유사하다. 이 과정을 알면 반도체 산업을 쉽게 이해할 수 있다.

1. 웨이퍼 제조

웨이퍼[사진=픽사베이]

첫 번째 과정은 웨이퍼 제조다. 웨이퍼는 반도체 칩을 만들기 위한 ‘도화지’ 역할을 한다.

위 사진 상 동그란 얇은 판이 웨이퍼다. 이 웨이퍼 표면 위에 전극(전기가 드나드는 곳)을 입히고 트랜지스터나 다이오드 같은 소자를 만들면 ‘반도체 칩(IC)’이 된다. 웨이퍼가 크면 클수록 한 번에 많은 반도체 칩을 만들 수 있다. 웨이퍼는 주로 실리콘으로 만들어진다. 모래에서 추출해서 가격이 저렴하고 고온과 습도에도 강하기 때문에 주로 사용되는 원료다.

이 실리콘 원석을 높은 온도에서 가열해 금속 덩어리로 만드는데, 이 금속 덩어리를 ‘잉곳’이라고 한다. 흔히 금은방에서 취급하는 금괴도 잉곳이다. 녹인 실리콘 원석을 덩어리로 만든 걸 실리콘 잉곳이라고 한다.

‘둥근 기둥’(양 끝이 반구 형태) 모양으로 굳어진 실리콘 잉곳 끝 부분을 갈아서 둥근 원통으로 만들어 준다.

실리콘 잉곳 [사진=실트로닉스]

둥근 원통 모양 실리콘 잉곳을 가로 방향 슬라이스 모양으로 얇게 자르면 동그란 실리콘 판이 여러 장 나온다. 아주 미세한 공정으로 반도체 소자를 만들어야 하기에 연마와 세정을 여러 번 거쳐서 매끄럽고 깨끗한 상태로 만든다. 이 과정을 거치면 웨이퍼가 만들어진다.

2. 회로 설계

후공정 플로우 차트 [사진=네이처지]

도화지 역할의 웨이퍼를 만들고 나면 다음 해야 할 일은 밑그림 그리기, 즉 회로 설계다.

반도체 칩은 위 플로우 차트와 같이 여러 층이 겹겹이 쌓인다. Front End of Line 약자 FEOL은 전공정, Back End of Line 약자 BEOL은 후공정을 뜻한다. 반도체 소자 몇 개를 어떻게 연결하는지에 따라 이 반도체 칩은 CPU, 메모리칩, 센서가 될 수 있다.

반도체 칩은 반도체 소자 간 연결이 매끄러우면서 실제 작업이 가능하도록 설계되어야 한다. 층층이 쌓는 공정이라서 각 층에 따라 설계 도면이 제각기 필요하다.

반도체 설계 도면은 50~100m 정도의 큰 크기로 제작된다. 공정에 따라 수많은 회로가 층층이 쌓여 집적 회로가 되는 과정인 것이다. 이 복잡하고 큰 도면을 직접 그릴 수가 없어서 각 층 설계도는 축소해서 유리에 마스크로 만든다.

빛을 통해 웨이퍼에 회로를 그려넣는 노광[사진=삼성전자 뉴스룸]

마스크란 가면이나 마스킹 테이프처럼 ‘가리는 특징’을 지칭한다. 이를 테면, 판에 구멍을 뚫고 빛을 비추면 구멍이 뚫린 부분에만 빛이 통과된다. 반도체 회로도 이 원리를 이용하기에 층층의 도면을 마스크로 만들어 빛이 구멍을 투과하도록 한다. 마스크는 설계 도면이자 일종의 ‘판화 원판’ 역할을 수행한다.

3. 웨이퍼 가공·층 쌓기

도화지(웨이퍼 제조)와 밑그림(회로 설계) 준비를 마치면, 다음 수순은 어떻게 웨이퍼에 많은 층 쌓기다. 어떻게 웨이퍼에 얇고 수많은 층을 쌓을 수 있을까?

웨이퍼 가공은 1~2개월 정도 긴 시간이 소요되며 고도의 기술, 수많은 장비, 재료들이 쓰이기 때문에 반도체 산업에서 수많은 기업이 관련되어 있는 부분이다.

먼저 웨이퍼 위에 그려지는 각 배선들이 합선되지 않도록 보호막을 만든다. 웨이퍼에 1000℃가량 높은 온도에 산소를 노출시켜 산화막을 만든다. 산화막을 만드는 이유는 웨이퍼에 절연막 역할을 하는 산화막(SiO₂)을 형성해 회로와 회로사이에 누설전류가 흐르는 것을 차단하기 위해서다. 이를 산화 과정이라고 한다.

반도체 공정 속 감광액[사진=삼성전자 뉴스룸]

웨이퍼에 산화막이 생겼다면 회로를 그리기 위하여 ‘감광액·포토레지스트(PR·photoresist)’를 도포한다. 빛에 반응 하는감광액은 3년전 한일 무역분쟁 당시만 해도 수입율이 90%에 이르던 품목이었으나 해당 사건이 일어난 이래 약 1년 뒤 국산화에 성공한 바로 그 품목이다.

감광액은 빛에 반응하는 민감한 물질이다. 회로를 그리는 과정에서 빛이 사용되기 때문에 이 감광액을 도포해야 한다. 감광액 종류에 따라서 빛이 닿은 영역이 제거되거나 빛이 닿은 영역만 남게 할 수도 있다.

다음은 웨이퍼 위에 빛을 이용해 회로를 그리는 작업이다. 이 작업은 사진을 현상하는 과정과 비슷하여 ‘포토 공정’이라고도 부른다. 이전 회로 문양이 담긴 마스크에 빛을 쏘는 노광(빛으로 웨이퍼에 회로를 새기는 공정)’ 장비를 사용하여 빛을 통과시키고 반복적인 축소 촬영을 한다.

현상액(사진 현상에 사용되는 처리액)을 뿌려가면서 빛에 노출된 영역과 그렇지 않은 영역을 선택적으로 제거해 웨이퍼에 회로를 그려준다. 반도체는 얇은 층을 층층이 쌓아야 하는 만큼 미세 패턴을 구현하는 것이 핵심이다. 이 패턴 구현은 포토 공정에 의해 결정되기 때문에 매우 세심하고 높은 수준의 기술을 요구하게 된다.

패턴이 형성되었다면 각종 측정 장비를 통해 패턴이 잘 그려졌는 지 검사 후 다음 공정으로 넘어간다. 이제 필요한 회로 패턴을 제외한 나머지 부분을 제거한다.

식각공정 [사진=삼성전자 뉴스룸]

산화막을 기체나 액체를 이용해 부식시키기 때문에 ‘식각 과정(반도체 구조를 형성하는 패턴을 만드는 공정)’이라고도 한다. 감광액은 산화막을 부식액으로부터 방지하는 역할을 하기 때문에 감광액이 없어진 표면만 제거가 된다. 감광액을 이용하여 패턴을 현상한 이유다.

식각의 액체를 이용하면 ‘습식 식각(Wet etching)’, 가스를 이용하면 ‘건식 식각(Dry etching)’이라고 한다. 건식은 비용이 비싸고 방법이 까다로운 단점이 있으나 정교한 식각이 가능하기 때문에 점점 미세해지고 있는 회로 설계에 따라 확대되고 있다.

식각방식별 특징 비교[사진=삼성전자 뉴스룸]​

필요한 산화막 회로는 남겨두고 불필요해진 감광액은 제거액을 통하여 없애 준다.

반도체는 층층이 절연막 층과 금속막 층으로 구분되어야 한다. 금속막 층은 회로 간 정기적인 신호를 연결해 주고 절연막 측은 금속막 층과 내부로 연결된 층을 정기적으로 분리하거나 오염으로부터 차단 시켜준다. 

증착 공정 ​[사진=삼성전자 뉴스룸]​

그래서 부도체인 웨이퍼가 반도체 성질을 띨 수 있게 해준다. 그 층들을 아주 얇은 박막(산화 박막)이라고 한다. 박막은 1μm(마이크로미터) 이하의 얇은 막을 의미한다.

이 박막을 쌓는 공정을 ‘증착 공정(Deposition)’이라고 한다. 

증착 방법에 따라 물리적 기상 증착 방법과 가스의 화학 반응으로 증착 하는 화학적 기상 증착 방법 등으로 구분된다. 증착과 포토 공정 그리고 식각 공정을 반복하면서 원하는 회로 패턴을 형성하고 불필요해진 감광액도 제거한다. 

그런데 실리콘으로 만들어진 웨이퍼는 아직 반도체가 아니다. 이 웨이퍼로 하여금 전기적인 성질을 가지게 하려면 불순물인 이온(Ion)을 주입하는 공정이 필요하다. 붕소, 인 같은 불순물을 미세한 가스 입자로 만들어 원하는 깊이만큼 웨이퍼 전면에 넣어 줌으로써 전도성을 갖도록 만드는 과정이다.

이온 주입으로 전류가 통할 수 있게 되면서 반도체 성질을 가지게 된다. 통로 역할을 할 수 있게 되었다는 의미다. 절연막 층, 금속막 층 회로를 설계대로 쌓기 위해서 산화, 포토 공정, 식각, 세정, 증착 과정을 반복한다.

회로를 쌓아가는 과정은 위 과정을 수백 번 반복해 이루어진다. 각각 균일한 속도와 두께로 공정이 진행되어야, 패턴이 부위별로 잘 나올 수 있다. 그렇지 않으면 칩이 동작하지 않거나 불량이 발생할 수 있기 때문에 각 공정에서 수많은 검사가 병행되며 웨이퍼 가공이 진행된다.

검사를 통해서 제조 공정상 문제점을 찾거나 설계상 문제를 발견하기도 하면서 수요를 높이는 중요한 역할을 한다. 1~2달까지 긴 시간이 소요가 되는 이유가 여기 있다.

4. 검사

EDS 공정의 4단계 ​[사진=삼성전자 뉴스룸]​

웨이퍼 가공을 거친 반도체 칩은 EDS, 전기적 특성 검사 등을 통해 각각의 칩들이 원하는 품질 수준에 도달하는지를 시험하고 작동 여부 등을 판별한다. 대표적으로는 EDS, 프로브 테스트(prove test) 등이 있다.

시험을 거친 웨이퍼는 다이아몬드 절단기나 레이저 광선으로 개별 절단한다.

5. 패키징

절단된 작은 칩은 전자기기에 맞는 포장 형태를 갖춰야 한다. 이 과정을 ‘패키징’이라고 한다. 

금속 기판 즉, 프레임에 칩을 고정하여 전기적으로 연결되게 한다. 그리고 그 위에 에폭시 수지 등으로 모양을 만들어 반도체를 밀봉한 후 제품명을 새기면 반도체 칩이 완성된다.

지금까지 웨이퍼 제조부터 패키징까지 반도체가 만들어지는 과정을 개략적으로 훑어봤다. 공정이 다양한 만큼 웨이퍼 가공 단계까지를 ‘전공정’ 그리고 검사와 패키징 과정을 ‘후공정’이라고 부른다.

삼성전자와 같이 반도체 설계부터 제작 ‘전공정’을 수행할 수 있는 기업을 종합 반도체 기업이라고 할 수 있다. 생산 설비 없이 설계에 주력하는 애플, 퀄컴 같은 업체를 ‘펩리스’, 설계 도면에 따라 웨이퍼 가공만 하는 대만 TSMC, 동부하이텍 같은 업체를 ‘파운드리’, 앰코테크놀로지처럼 검사와 패키징을 맡아 하는 패키징 업체로 구분할 수 있다.

그 외에도 반도체 생산 공정을 가능케 하는 수많은 장비 업체들과 공정에 필요한 소재를 생산하는 업체들이 맞물려 반도체 산업 발전을 견인한다. 

소비자경제신문 문재호 기자