비 전공자도 쉽게 이해할 수 있는 반도체 웨이퍼 제조 공정(Wafer Fabrication Process)

웨이퍼 제조 공정은 집적 회로에서 가장 중요한 두 반도체 재료는 실리콘(Si)과 갈륨아세나이드(GaAs)입니다. 반도체 제조 공정 준비를 위한 고순도의 실리콘 웨이퍼를 만들고자 여러 화학 공정을 거칩니다.

 

먼저, 웨이퍼 제조 공정은 실리콘과 갈륨아세나이드를 이용하여 단결정 ingot은 원기둥 모양으로 성장시키고, ingot을 얇게 절단하여 낱개의 웨이퍼로 만듭니다. 또한, 제조 공정으로 낱개의 웨이퍼는 평탄화 작업을 통해 표면을 매끄럽게 만들고, 매끄럽게 만든 웨이퍼를 이용해 반도체 소자 회로를 구성하게 됩니다. 이번 피드에서는 반도체 집적 회로를 구성하기 위해 필수적인 웨이퍼 제조 공정에 대해 알아보겠습니다.

실리콘 웨이퍼 제조 공정

재료 준비 과정

앞서 말했듯이 낱개의 실리콘 웨이퍼를 만들기 위해서는 원기둥 모양의 ingot을 성장시키고, 이를 절단하여 만듭니다. 실리콘 원재료는 흔히 알고 있는 모래입니다. 모래는 다양한 형태의 탄소와 화학적인 반응을 통해 고순도의 실리콘으로 변화됩니다. 이 과정을 거쳐 탄생한 고순도의 실리콘은 ingot을 제조할 수 있는 재료가 됩니다. ingot 제조를 위한 공정은 Floating zone 방식과 Czochralski 방식이 있지만, 이번 피드에서는 Czochralski 방식에 관해서만 설명하겠습니다.

ingot 제조 공정

ingot을 만들기 위해서는 대략 90% 이상 Czochralski 방식을 사용합니다. Czochralski 법은 ingot을 원기둥 형태로 성장시키기 위한 공정 방법입니다. 성장 속도는 약 분당 수 밀리미터 수준입니다. 공정 순서는 다음과 같습니다.

 

1) 공정 체임버 안에 고순도 실리콘을 넣습니다. 

 

2) 공정 필요한 액체 상태의 실리콘을 얻기 위해, 고순도의 실리콘을 공정 체임버에 넣고 약 1500℃ 정도에서 가열합니다.

 

3) 액체 상태의 고순도 실리콘을 고체 상태의 단결정 실리콘으로 만들기 위해, 공정 체임버 중심에 단결정 실리콘 Seed를 넣습니다. (Seed를 사용하는 이유는 액체 상태의 실리콘을 응고시켜, 고체로 만들 수 있고, 원하는 방향으로 결정 성장하도록 유도할 수 있기 때문입니다.) 

 

4) Seed를 통해 액체 실리콘을 응고시키고, Seed를 잡고 있는 Holder와 공정 체임버를 서로 반대 방향으로 회전시켜 원기둥 형태로 ingot을 성장시킵니다.

 

이러한 과정을 통해 웨이퍼 생산에 기반이 되는 단결정 실리콘 ingot을 만들어 낼 수 있습니다. 

웨이퍼 제조 공정

웨이퍼를 만들기 전 ingot을 선택해야 합니다. 결정 성장이 잘 이루어진 ingot을 선별한 후, 표면 정리, 클리닝, 연마 작업을 실시합니다. 이 과정을 거치면 웨이퍼를 제조할 수 있습니다.

 

1) 깔끔하게 정리된 ingot을 웨이퍼로 만들기 위해 원하는 두께로 절단합니다.

 

2) 절단된 웨이퍼는 균일하고 깔끔한 표면을 얻기 위해 연마 작업이 진행됩니다.

 

3) 제작 중에 생겨난 불순물 제거를 위해 클리닝 작업을 진행합니다.

 

4) 제조된 웨이퍼가 반도체 생산에 투입될 수 있는지 품질 검사가 진행됩니다. 크기, 두께, 표면 등이 기준에 부합하면, 반도체 제조에 투입됩니다. 

 

용도에 따라 웨이퍼의 크기를 선택할 수 있습니다. R&D를 담당하는 기업에서는 4~6인치 웨이퍼를 주로 사용하고, 반도체 소자의 대량 생산이 필요한 기업에서는 8~12인치 웨이퍼를 주로 사용합니다. 

 

갈륨아세나이드 웨이퍼 제조 과정

재료 준비 과정

실리콘 웨이퍼를 대체하기 위한 물질로 갈륨아세나이드가 사용됩니다. 원재료 준비를 위해 화학적으로 순수한 갈륨(Ga)과 비소(As)를 준비합니다. 화합물로 만들기 위해서 고순도의 비소를 약 600℃에서 가열하고, 고순도의 갈륨을 약 1200℃에서 가열합니다. 이러한 조건에서 비소의 압력을 높임으로써 비소가 갈륨으로 이동하게 됩니다. 이 과정을 통해 갈륨아세나이드가 형성됩니다. 화합된 갈륨아세나이드는 냉각과정을 거쳐 고순도의 다결정 갈륨아세나이드가 형성되면, 재료 준비가 끝났습니다.

결정 성장 공정

결정 성장을 위해서는 Czochralski 방식과 브리즈만 방식을 사용합니다. 이 중 갈륨아세나이드의 성장은 주로 브리즈만 방식을 사용합니다. (단, 큰 지름을 얻기 위해서는 Czochralski 방식을 사용함) 공정 체임버 내에는 비소와 갈륨아세나이드를 넣을 수 있는 튜브, 비소를 기체 상태로 만들기 위한 1번 Zone, 갈륨아세나이드를 액체 상태로 유지하기 위한 2번 Zone이 있습니다. 공정 순서는 다음과 같습니다.

 

1) 공정 진행을 위해 튜브 안에 고체 상태의 비소와 액체 상태의 갈륨아세나이드를 넣습니다.

 

2) 1번 Zone 온도는 비소가 증발할 수 있게 약 600℃에서 준비하고, 2번 Zone의 온도는 갈륨아세나이드가 액체 상태를 유지할 수 있도록 약 1200℃로 준비합니다.

 

3) 공정은 체임버가 약 1200℃ 2번 Zone에서 약 600℃의 1번 Zone으로 이동하면서 액체 상태의 갈륨아세나이드를 고체로 응고시킵니다.

 

4) 체임버가 이동함으로써 고순도의 단결정 갈륨아세나이드가 성장합니다. 

 

이러한 과정을 통해 고순도의 단결정 갈륨아세나이드 ingot을 만들어 낼 수 있습니다.

 

실리콘 웨이퍼는 반도체 소자 제조에 없어서는 안 될 필수적인 존재입니다. 웨이퍼의 순도에 따라 반도체의 특성이 많이 좌지우지될 것입니다. 반도체 산업에서는 고순도의 웨이퍼를 효율적으로 제조하기 위해 점진적으로 나아가야 합니다.