반도체 공정 과정 - 웨이퍼 제조 (1)

구동엽

|2024. 7. 29. 10:38

웨이퍼란 무엇인가

웨이퍼는 얇은 기반 위에 다수의 동일 회로를 만들어 반도체의 직접회로가 되는 부분으로 웨이퍼는 반도체의 기반이다.

실리콘(SI), 갈륨 아세나이드(GaAS) 등을 성장시켜 만든 단결정 기둥을 적당한 두께로 얇게 썬 원판을 의미한다.

잉곳 만들기는 다결정 실리콘을 단결정 실리콘으로 변형시키는 과정으로, 실리콘 원료를 뜨거운 열로 녹여 고순도의 실리콘 용액을 만들고 이것을 결정 성장시켜 굳힌다.

이렇게 만들어진 실리콘 기둥을 잉곳이라고 한다.

잉곳을 원파형의 웨이퍼로 만들기 위해서는 다이아몬드 톱을 이용해 균일한 두께로 얇게 써는 작업이 필요하다.

웨이퍼 두께가 얇을수록 제조원가가 줄어들며, 지름이 클 수록 한 번에 생상할 수 있는 반도체 칩 수가 증가하기 때문에 웨이퍼의 두께와 크기는 점차 얇고 커지는 추세이다.

웨이퍼를 자른 직후의 웨이퍼 표면은 흠결이 있고 매우 거칠어 사용할 수 없기 때문에 연마액과 연마장비를 이용해 거울처럼 반짝이게 갈아낸다.

웨이퍼 표면의 흠결은 회로의 정밀도에 영향을 준다.

가공 전의 웨이퍼를 아직 옷을 입지 않은 상태라는 의미로 베어 웨이퍼(Bare Wafer)라고 한다.

여기에 여러 단계의 물리적, 화학적 가공을 거쳐 표면에 IC를 형성시키고 가공 단계를 거치면 아래와 같은 모습을 띈다.

웨이퍼 모양은 공정 과정과 연관이 있다. 웨이퍼는 공정 과정과 쓰임새에 따라 '단결정'과 '다결정'으로 나뉜다.

둘의 차이점은 원자 배열이다.

단결정의 경우에는 실리콘 원자 배열이 규칙적이고 배열 방향이 일정해 전자이동에 걸림이 없어 변환 효율이 높다.

다결정의 경우에는 단결정질에 비해 공정 과정이 간단하고 가격이 저렴하다.

반도체 재료는 물성이 뛰어나고 높은 효율의 웨이퍼를 필요로 하기 때문에 단결정이 사용된다.

구조
- 여러 개의 작은 결정립(grain)으로 이루어져 있으며, 각 결정립은 서로 다른 방향으로 정렬되어 있다.
- 이로 인해 결정립 사이의 경계(grain boudary)가 존재한다.
결함
- 결정립 경계에서 결함이 발생하기 쉬우며, 단결정보다 불균일한 특성을 가질 수 있다.
제조
- 다결정은 제조 과정이 비교적 간단하고 비용이 적게 든다. 주로 융용된 실리콘을 냉각시키는 과정을 통해 얻는다.

쵸크랄스키법(Czochralski, CZ method)
- 고순도 실리콘 액체 표면 위에 단결정 실리콘(Seed)를 접촉시킨다. Seed를 회전시키면서 끌어올리면 고체-액체 상태 계면에서 냉각이 일어나 Seed가 성장한다. 잉곳은 회전하면서 원기둥의 모습을 갖추게 되고, 회전 속도는 잉곳의 지름에 영향을 미친다.

플로팅 존(Floating Zone, FZ method)
- 위쪽에서 회전하는 다결정 실리콘 주입봉을 가열해 Melting Zone을 형성한다. 주입봉이 회전하면서 하단부분이 녹아 액체상태로 변하는데, 성장하고자 하는 단결정 실리콘(Seed)를 아래에서부터 올려주며 액체 상태의 실리콘과 접촉하도록 한다.
- 이 상태에서 Seed를 다시 내려주며 이러한 과정을 반복하여 성장하는 방법이다.