반도체 공정 흐름도

물리학이나 수학을 전혀 공부하지 않았더라도 이해할 수 있을 만큼 간단하지만, 초보자에게 적합한 수준입니다. CMOS에 대해 더 자세히 알고 싶다면 이번 호 내용을 읽어보세요. 다이오드의 생산 공정(공정 흐름)을 이해해야 다음 내용을 제대로 이해할 수 있기 때문입니다. 그럼 이번 호에서는 파운드리 회사에서 CMOS가 어떻게 생산되는지 알아보겠습니다(비첨단 공정을 예로 들며, 첨단 공정의 CMOS는 구조와 생산 원리가 다릅니다).

우선, 파운드리가 공급업체로부터 받는 웨이퍼에 대해 알아야 할 것이 있습니다.실리콘 웨이퍼공급업체)는 반경 200mm로 하나씩 차례로 배치됩니다.8인치공장) 또는 300mm (12인치공장). 아래 그림에서 볼 수 있듯이, 이것은 실제로 우리가 기판이라고 부르는 큰 케이크와 비슷합니다.

하지만 이런 식으로 보는 것은 우리에게 편리하지 않습니다. 아래에서 위로 살펴보면 다음과 같은 단면도가 나옵니다.

다음으로 CMOS 모델이 어떻게 생겼는지 살펴보겠습니다. 실제 공정은 수천 단계를 거치기 때문에 여기서는 가장 간단한 8인치 웨이퍼의 주요 단계에 대해서만 설명하겠습니다.

 

 

우물 및 역전층 생성:

즉, 이온 주입(이하 '이온 주입')을 통해 기판에 웰을 형성합니다. NMOS를 제작하려면 P형 웰을, PMOS를 제작하려면 N형 웰을 주입해야 합니다. 이해를 돕기 위해 NMOS를 예로 들어 설명하겠습니다. 이온 주입 장비는 주입할 P형 소자를 기판에 특정 깊이까지 주입한 후, 가열로에서 고온으로 가열하여 이온을 활성화시키고 확산시킵니다. 이로써 웰 형성이 완료됩니다. 아래는 형성이 완료된 후의 모습입니다.

웰을 만든 후에는 채널 전류와 문턱 전압의 크기를 제어하기 위한 추가적인 이온 주입 단계가 있습니다. 이를 일반적으로 반전층이라고 부릅니다. NMOS를 만들려면 반전층에 P형 이온을 주입하고, PMOS를 만들려면 반전층에 N형 이온을 주입합니다. 이온 주입 후의 구조는 다음과 같습니다.

이 글에는 이온 주입 시 에너지, 각도, 이온 농도 등 이번 호에 포함되지 않은 내용이 많이 있는데, 그런 것들을 알고 있다면 분명 업계 전문가일 것이고, 그런 것들을 배울 방법을 알고 있을 거라고 생각합니다.

 

이산화규소(SiO2) 생성:

이후 실리콘 이산화물(SiO2, 이하 산화물)을 형성합니다. CMOS 제조 공정에서 산화물을 형성하는 방법은 여러 가지가 있습니다. 여기서는 게이트 아래에 SiO2를 사용하며, 그 두께는 문턱 전압과 채널 전류에 직접적인 영향을 미칩니다. 따라서 대부분의 파운드리에서는 이 단계에서 최고 품질, 가장 정밀한 두께 제어, 그리고 최상의 균일성을 제공하는 퍼니스 튜브 산화법을 선택합니다. 이 방법은 매우 간단합니다. 산소가 채워진 퍼니스 튜브 안에서 고온으로 산소와 실리콘을 화학 반응시켜 SiO2를 생성하는 것입니다. 이렇게 하면 아래 그림과 같이 실리콘 표면에 얇은 SiO2 층이 형성됩니다.

물론, 필요한 온도, 산소 농도, 고온 유지 시간 등과 같은 구체적인 정보도 많이 있지만, 지금 우리가 고려하는 사항은 그런 세부적인 내용들이 아니므로 다루지 않겠습니다.

게이트 끝단 폴리 형성:

하지만 아직 끝이 아닙니다. SiO2는 마치 실과 같고, 진짜 게이트(폴리실리콘)는 아직 시작도 안 했습니다. 다음 단계는 SiO2 위에 폴리실리콘 층을 형성하는 것입니다. (폴리실리콘 역시 단일 실리콘 원소로 구성되어 있지만 격자 구조가 다릅니다. 기판에는 단결정 실리콘을 사용하고 게이트에는 폴리실리콘을 사용하는 이유는 저도 잘 모르겠습니다. '반도체 물리학'이라는 책을 읽어보시면 알 수 있을 겁니다. 좀 복잡하긴 하지만요.) 폴리실리콘 역시 CMOS에서 매우 중요한 역할을 하지만, 폴리실리콘의 주성분은 실리콘이기 때문에 SiO2처럼 실리콘 기판과 직접 반응시켜 생성할 수는 없습니다. 이를 위해서는 전설적인 CVD(화학 기상 증착) 기술이 필요합니다. CVD는 진공 상태에서 화학 반응을 일으켜 생성된 물질을 웨이퍼 위에 석출시키는 방식입니다. 이 예에서 생성된 물질은 폴리실리콘이며, 이를 웨이퍼 위에 석출시킵니다. (여기서 폴리실리콘은 CVD 방식으로 전기로에서 생성되므로, 순수 CVD 장비로 생성되는 것은 아닙니다.)

하지만 이 방법으로 형성된 폴리실리콘은 웨이퍼 전체에 침전되며, 침전 후에는 이러한 모습이 됩니다.

 

폴리 및 SiO2 노출:

이 단계에서는 우리가 원하는 수직 구조가 실제로 형성되었습니다. 맨 위에는 폴리우레탄, 맨 아래에는 SiO2, 맨 아래에는 기판이 있습니다. 이제 웨이퍼 전체가 이런 형태이고, 우리는 특정 위치만 "수도꼭지" 구조로 만들면 됩니다. 따라서 전체 공정에서 가장 중요한 단계인 노광 공정이 남았습니다.
먼저 웨이퍼 표면에 포토레지스트 층을 도포하면 이런 모습이 됩니다.

그다음, 회로 패턴이 새겨진 마스크를 씌우고 특정 파장의 빛을 조사합니다. 그러면 조사된 영역의 포토레지스트가 활성화됩니다. 마스크로 가려진 부분은 빛이 조사되지 않으므로 해당 부분의 포토레지스트는 활성화되지 않습니다.

활성화된 포토레지스트는 특정 화학 용액으로 쉽게 씻겨 나가는 반면, 활성화되지 않은 포토레지스트는 씻겨 나가지 않기 때문에, 조사 후 특정 용액을 사용하여 활성화된 포토레지스트를 씻어내고, 최종적으로는 폴리우레탄과 이산화규소가 남아 있어야 하는 부분에는 포토레지스트를 남기고, 필요하지 않은 부분에서는 포토레지스트를 제거하여 이러한 상태가 됩니다.