[반도체 공정] 1.웨이퍼(Wafer) 제조 공정

실리콘 웨이퍼 (Si wafer)

웨이퍼(wafer)는 반도체 소자의 기본이 되는 재료이다. 웨이퍼는 실리콘(Si)이나 갈륨 비소(GaAs) 등으로 이루어진 단결정 잉곳(Ingot)을 얇게 자른 판을 의미한다.

실리콘 웨이퍼

이런 웨이퍼에 여러가지 반도체 공정을 이용을 통해 반도체 회로를 새기고, 일정한 크기로 잘라주면 반도체 칩이 된다.

초기에 반도체는 저마늄(Ge)로 만들어졌다. (게르마늄=저마늄)

그러나 현재 웨이퍼는 대부분 모래에서 추출한 규소, 즉 실리콘(Si)으로 만든다. 실리콘은 지각에 매우 풍부하게 존재하는 원소 중 하나이기 때문에 경제적인 측면에서 우수하고, 독성이 없어 인체에 무해하다는 장점을 가지고 있기 때문이다. 실리콘의 산화(oxidation) 반응을 통해 SiO2를 쉽게 생산할 수 있는데, 이는 뛰어난 절연체(insulator) 및 선택적 확산(selective diffusion)의 방어막(barrier)으로 활용할 수 있어 반도체 소자를 제조하는데 있어 그 활용도가 뛰어나다.

또한 실리콘(Si)은 저마늄(Ge)보다 넓은 밴드갭(larger band gap)을 가지고 있는데 이는 실리콘으로 만든 반도체 소자가 더 높은 온도에서도 동작할 수 있도록 해주는 장점이 된다.

 Ingot의 제조

모래등에서 추출한 규소는 불순물이 섞여 있기 때문에 반도체 소자에 활용하기 위해서는 정제과정이 필수적이다. 때문에 실리콘을 매우 높은 온도에서 녹인후에 고순도의 실리콘 용액을 만들어 기둥의 형태로 제작한다. 이런 형태의 실리콘 기둥을 잉곳(Ingot)이라고 한다.

Ingot을 제작하는 공정으로는 쵸크랄스키 공법(Czochralski, CZ method)과 플로팅 존 공법(Floating zone method)이 있다.

쵸크랄스키 공법이란 다결정의 실리콘을 고열로 녹여 액체상태로 만든 뒤에 단결정 실리콘(Seed)을 접촉시켜 ingot을 성장시키는 방법이다. 고체 단결정 실리콘과 액체 실리콘 사이 접촉면에서 냉각이 일어나 단결정 실리콘(Seed)와 같은 형태의 단결정 ingot이 성장된다.

플로팅 존 공법은 다결정 실리콘 주입봉을 사용한다. 주입봉이 회전하면서 하단부분이 녹아 액체상태로 변하는데, 성장하고자 하는 단결정 실리콘(Seed)를 아래서부터 올려주며 액체 상태의 실리콘과 접촉하도록 한다. 이 상태에서 Seed를 다시 내려주며 이러한 과정을 반복하여 성장하는 방법이다.

 웨이퍼의 절단 및 연마 (Wafer Slicing & Polishing)

이렇게 만들어진 ingot은 위에서 봤던 얇은 판모양의 웨이퍼를 만들기 위하여 다이아 톱날로 균일하게 절단(Slicing)된다. 

그러나 이렇게 제조된 웨이퍼는 표면이 거칠고 균일하지 않아 반도체 회로를 새기기에는 적합하지 못하다. 따라서 표면에 존재하는 흠을 제거하고 평평하게 만들기 위해 polishing과 같은 다양한 연마작업이 필요하다. 

그림과 같이 아무리 정교하게 slicing을 해도 마이크로 단위의 웨이퍼 표면은 매우 굴곡져 있다. 웨이퍼는 처음으로 Edge Rounding이라는 공정을 거치게 되는데, 이는 말 그대로 웨이퍼의 가장자리를 부드럽게 연마하는 작업이다.

그 후 Lapping이라는 작업을 거쳐 웨이퍼 표면의 굴곡을 전체적으로 줄인 후에 wet etch라는 화학적 식각(chemical etch)과정을 통해 더욱 정교한 웨이퍼 표면을 만든다. Wet etch 공정에는 대표적으로 질산(HNO₃), 플루오린화 수소(HF) 그리고 아세트산(CH₃COOH)을 4:1:3의 비율로 섞은 혼합물이 사용되며 화학 반응식은 아래와 같이 진행된다.

Wet etching이 끝나면 최종적으로 CMP라는 과정을 거친다. CMP란 Chemical Mechanical Polishing의 약자로 화학물질과 기계적 마찰력을 모두 사용하여 웨이퍼 표면을 평평하게 만드는 작업이다.

이러한 작업을 거치고 나면 비로소 웨이퍼 표면의 결함이나 굴곡의 거의 사라지게 되고, 표면에 반도체 회로를 새기기 위한 준비가 끝나게 된다.