[취준생 반도체 면접 준비] 면접 기출에 꼭 나오는 MOSFET 반도체 8대 공정 쉽게 설명해드립니다.

요즘 면접준비를 하느라 다들 바쁘실텐데 반도체를 공부하시는 분들이 꼭 알아야할 점들을 정리하고 있어요.
이번에는 반도체를 업종으로 삼으실 분들이라면 꼭 알아야할 반도체 8대 공정을 설명해드리려고합니다.
 
논리적으로 따라가다보면 절대 어렵지 않아요! 그렇기 때문에 포기하지 않고 열심히 따라와주세요.
다른 최신 반도체 소자들은 너무나도 복잡하기 때문에 간단한 MOSFET을 사례로 알려드릴게요.
 

1. 웨이퍼 제작

웨이퍼 제작은 별거 없고 길쭉한 Silicon을 단면으로 잘라서 이렇게 평평하고 납작한 Si substrate를 만들어주는 단계랍니다.
Si을 substrate으로 하는 이유는 지구상에서 구하기가 쉬워 저렴하고(모래가 Silicon) 산화도 잘되기 때문이에요.
MOS 구조에서 O는 oxide층을 뜻하는데 SiO2가 여기에 해당하거든요. 그냥 공기중에 노출만 시키면 산화가 됩니다.
Ge같은 물질은 GeO2가 불안정한 물질이라 oxide층 형성이 잘 안되거든요. GeO는 안정하지만 또 특성이 안좋아서 안써요.
다음 단계를 위해서 substrate위에 먼지같은 불순물 없도록 cleaning은 필수!

2. Oxidation (산화하기)

벌써 MOS 구조중 두개가 완성되었는데요. Metal, Oxide, Substrate 구조에서 Oxide 층을 만드는 단계입니다.
O2를 주입하거나 한층한층 ALD로 쌓게 되면 기존에 있던 Si층에서 Si가 O2와 반응해 SiO2로 바뀝니다.
그렇기 때문에 Si substate 층의 높이가 낮아졌죠!
다음 단계를 위해서 SiO2 위에 불순물 없도록 cleaning 필수~

 3. Photoresist 깔아주기(포토 공정)

이 공정은 포토공정중 앞부분인데요. photoresist를 SiO2 위에 깔아주어서 원하는 부분만 etching하는 것이 목표입니다.
photoresist 물질들은 빛에 반응해서 사르르 녹기 때문에 너무나도 제거하기가 쉬워요.

4. mask align(포토 공정)

이 공정은 포토공정중 뒷부분입니다. mask를 깔아주어서 원하는 부분만 빛이 통과하게 하고, 원하지 않는 부분은 빛이 통과하지 못하도록 막아요. 빛에 노출된 Photoresist 물질은 녹기 쉬운 상태로 바뀝니다. 이제 현상액을 photoresist에 뿌려주면 빛에 노출된 부분만 녹아서 사라집니다. 그러면 SiO2의 etching하려는 부분만 바깥에 노출되어 있게 됩니다.
mask는 그냥 빛이 투과하지 못하도록 하는 물질이면 돼요.

5. Etching (식각 공정)

이제 sputtering이든, chemical etching이든 reactive etching이든 etching을 할텐데요.
photoresist 덕분에 원하는 부분만 etching이 가능합니다~
노랑색 photoresist가 덮여져있는 부분은 SiO2가 노출되어있지 않기 때문에 SiO2가 etching되지 않아요. 보면 회색 SiO2들이 남아있죠? 하지만 photoresist가 덮여져있지 않은 부분은 SiO2가 바깥에 노출되어 있어 etching이 가능해요.
만약 HF로 etching을 한다고 하면 photoresist가 덮여져 있지 않은 부분은 HF가 photoresist에 막혀서 SiO2에 도달하지 못합니다. 하지만 photoresist가 녹아서 사라진 부분은 HF가 SiO2와 만날 수 있어 SiO2를 etching해버려요~

6. photoresist 벗기기 (식각 공정)

photoresist의 목적은 SiO2를 원하는 부분만(selective) etching하기 위해 깔아둔 것이었습니다.
원하는 부분만 etching해버렸으니 필요 없어진 photoresist를 없애주면 됩니다.
 
다음 단계를 위해서 불순물이 없도록 cleaning 필수~

7. Ion implantation (doping, 확산 증착)

이제 Si에 Boron, Phosphorus, Arsenic 등등 dopant를 doping해주는 단계입니다.
불순물 주입이라고도 부르는데 Si가 SiO2에 막혀 노출되어있지 않은 부분은 dopant가 통과하지 못해 doping이 되지 않아요. 하지만 SiO2가 etching되어 없어진 부분은 Si가 바깥에 노출되어 있어 dopant로 도핑할 수 있습니다.
딱 원하는 부분만 doping할 수 있어 너무 편하죠~
그림을 보시면 SiO2의 아랫부분도 빨강색으로 doping되어있는데요. 아무래도 diffusion 현상(고농도에서 저농도로 퍼지는 현상)이 일어나다보니 원하는 부분만 doping되는 것이 아니라 옆으로 퍼지게 됩니다.
그래서 SiO2의 아랫부분도 doping이 되어버려요. 공정상의 한계죠. 물론 이를 극복하는 방법도 많이 나왔습니다~
이온, dopant 주입시 발생하는 문제점에 관한 포스팅
 
metal을 까는데 불순물이 안섞여 들어가도록 cleaning 필수~

8. Metal align(금속 배선)

이제 MOS 구조중 M을 담당하는 Metal을 깔아주는 단계에요.
doping된 Si 영역에도 Metal과 닿게 하고, SiO2 위에도 Metal을 배열합니다.
Metal이 있어야 저희가 voltage를 걸어줄 수 있거든요.
doping 된 영역(빨강색) 중 왼쪽을 Source, 오른쪽을 drain이라고 합니다. 
source와 drain에 metal이 닿아있는 이유는 원하는 voltage를 직접 Si에 걸어줘서 전자가 흐를 방향을 정해주기 위해서입니다. Vgs Vd 등등의 용어를 들어보셨을거에요. 왼쪽에 0V 오른쪽에 3V를 걸어준다면 전자는 왼쪽에서 오른쪽으로 흐르겠죠! 만약 이 영역도 Oxide로 막아둔다면 voltage를 직접 거는 것이 아닌 반대로 유도해야하고 더 많은 voltage를 걸어줘야 Si에 원하는 만큼의 voltage가 걸리겠죠. Oxide 윗층에 +5를 걸어주면 Oxide 아랫층에 -3,4V 정도 유도될텐데 효율성이 떨어지잖아요!
 
비유) 마치 친구한테 불만있으면 대놓고 말해야 편한데, 친구 통해서 전하는 느낌입니다. 반도체도 인간관계도 속도가 생명이라구!
 
이 영역은 그럴 필요도 없는데 말이죠.
하지만 가운데 부분(gate)은 Metal과 Si가 닿아있지 않는데, 이 부분이 MOS 구조로 channel을 열거나 닫는 역할입니다. 이 영역에서 Metal과 Si을 닿게 한다면 source의 전자가 drain으로 가는 것이 아니라 gate로 가버려요. Oxide는 전자가 흐르지 못하도록 막는 부도체입니다. 무조건 source에서 drain으로 가야하거든요.(이 부분이 이해 안되면 댓글남겨주세요)

9. 테스트

그 다음 MOSFET이 제대로 만들어졌는지 테스트를 해야겠죠.
회사 내에서도 평가,분석 이라는 부서가 있어요. 여기서 수율이 정해지는데 수율은 영어로 yield입니다.
제대로 만들어지지 못한 부분들은 분석을 하거나, 재사용할 수 있을 경우 앞의 공정으로 가서 재사용합니다.

10.패키징

8대 공정의 마지막 부분인 패키징인데요. 웨이퍼를 잘라 칩으로 만들어줘요.
MOSFET 만 만들고 딱 출시해버리면 바로 공기, 열에 노출되어 망가집니다.
그래서 바깥 환경에 노출되지 않도록 포장해줍니다.
또한 지지대와 전선도 연결해 주어서 voltage를 걸 수 있게 해주는 단계이기도 해요. MOSFET만 만들어 놓으면 전류를 공급할 공급원이 없잖아요. 일종의 배터리나 전선같은 걸 연결해줘서 voltage를 걸 수 있게 해줍니다.

지금까지 반도체 8대공정을 설명해드렸는데요. 이걸 왜 이런 구조로 할까 싶은 부분들이 있으실거에요.
이런 생각이 드는 분들은 MOSFET의 동작 원리에 대해 좀 더 공부하시면 좋을 것 같습니다.
 
[반도체 공대 대학원 생활] FEB에서 사용하는 ALD 장비(기기) 및 각각의 역할

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댓글로 질문주시면 설명해드릴게요ㅋㅋㅋ