[반도체 제조 공정] 확산(Diffusion)

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[반도체 제조 공정] 확산(Diffusion)

반도체 제조 공정은 전공정과 후공정 이렇게 크게 두 가지로 나뉩니다.

전공정은 Diffustion(확산), Thin film(박막), Photo(노광), Etch(식각), CMP&Cleaning(CMP&세정)의 5가지 공정을 수백 차례 반복하며 미세회로를 웨이퍼 위에 쌓아 올려 구현한다. 이렇게 쌓아 올리기에 집적회로라고도 한다.


Diffusion
공정은 약자 D/F라고 쓰기도 하며,. 한자로는 확산(넓힐 확, 흩을 산)을 써서 사전적 의미로
1. 흩어져 널리 퍼짐
2. 서로 농도가 다른 물질이 혼합될 때 시간이 지나면서 차츰 같은 농도가 되는 현상.'퍼짐'의 순화라고 기재되어 있다.

마치 물이 담겨져 있는 컵에 잉크를 한 방울 떨어뜨리면 시간이 지남에 따라 잉크가 퍼져 나가 섞이면서 물 전체가 균일한 색을 나타내게 되는 현상으로 확산(Diffusion)을 설명할 수 있다.

이러한 원리와 이치를 반도체 공정에 적용한 것을 확산공정(Diffusion Process)라고 보면 된다. 이러한 원리는 물에서 보다는 공기 중에서 확산 속도가 빠르고, 공기보다는 진공 속에서 확산 속도가 빠르며 또한 물질이 퍼져 나가는 속도, 즉 확산 속도는 분자의 무게가 가벼울수록, 온도가 높을 수록 빠르다. 그래서 확산공정은 온도(Temperature), 진공(Vacuum), 불순물로 사용되는 가스(Gas) 이렇게 3요소의 관리가 관건이다.


도자기 만들어 보셨나요? 확산 공정은 도자기를 만드는 원리와 같아요~

도자기가 어떻게 만들어지는지 안다면 Diffusion Process를 이해하기 매우 쉽다. 도자기는 흙으로 빚어서 모양을 만들고 초벌구이를 하고 문양을 새겨 넣거나 그려 넣고 유약을 바른 후 다시 재벌구이를 한다. 그리고 장인의 손을 거쳐 마음에 들지 않는 제품은 깨버리고 원하는 작품이 나오면 예술품으로 인정받게 된다.
바로 이런 도자기를 만드는 과정과정이 바로 Diffusion 공정과 매우 유사하다.

디퓨전(Diffusion)은 크게 2 파트로 나뉜다.

하나는 퍼니스(Furnace)이고 다른 하나의 파트는 임플란터(Implanter)이다.
먼저 Furnace에 대해 알아보면 사전에 노', 난방로, 용광로, 몹시 더운 곳'을 뜻하며 간단하게 화로라고 생각하면 된다.
약 1300도의 가마(챔버 또는 튜브, Chamber or Tube)에 도자기(웨이퍼)를 놓고 초벌구이를 한다.
초벌구이를 마친 도자기는 그림이나 문양을 새겨(이온주입, Implant)넣는다. 그리고 유약을 바른다. 유약(반도체 공정가스)에 따라 청자(CVD, 증착 공정), 백자(Oxidation,산화막 공정) 등등 다른 색과 성격을 띄게 된다.
그리고 재벌구이(BPSG공정, Anneal공정 등등..)를 위해 가마에 도자기를 다시 넣고 굽게 된다.
이때 가마의 온도에 따라 더 탄화가 되기도 하고 덜 탄화가 되어 유약의 색농도가 변하게 된다. 웨이퍼도 마찬가지다. 그래서 근속년수가 오래된 아주 노련한 직원은 웨이퍼의 색깔만 보아도 웨이퍼에 증착된 두께를 알 수 있다.
(증착: 가스의 화학반응으로 전도체 또는 절연막을 만드는 과정)

Furnace 공정을 단 두가지로 나누어 보면 파이로(Pyro:불)공정과 증착(Deposition)으로 나눌 수 있으며, Pyro공정은 수소가스와 산소가스가 결합할 때 불꽃반응을 이용해 웨이퍼에 산화막(Oxide)를 만드는 과정이다. Furnace 공정의 특이한 점은 한 번 진행에 100장~150장 정도를 한꺼번에 진행한다. 가마에 도자기를 하나만 넣지 않고 수백 개, 수천 개를 넣고 구워내듯 말이다.

그리고 Implanter 공정이 있다. 정식 명칭은 이온주입(Ion Implanter)이며, 사전적 의미로 "꽂아 넣다, 심다 뿌리다, 주입하다"의 의미를 가지고 있다. 사전의 의미대로 이온불순물을 웨이퍼에 주입하는 공정이다.
4기 원소인 실리콘(규소, Silicon) 웨이퍼에 3가 원소(붕소, Boron)또는 5가(인, Phosphorus)불순물을 주입함으로써 완전한 반도체가 되는 것이다.

중요한 것은 어떤 종류의 이온을, 얼만큼 깊이, 얼마만큼의 이온 양을 주입할 것인가 이다. 이러한 요소가 중요한 이유는 반도체 회로를 구현했을 때 동작속도와 전력 소모량 등 회로의 특성이 좌우되며 관련이 깊기 때문이다.


도자기의 비밀 = 반도체의 비밀

도자기에 장인의 낙관을 새기거나 도자기 하단부에 고유번호 또는 작품범호를 새겨 넣기도 한다. 이렇게 장인의 손을 거친 작품의 진위를 판별하고 표시하듯 반도체제품에도 고유이름을 부여해 준다.
실리콘 웨이퍼가 들어오면 웨이퍼에 이름을 적어주게 되고, 레이저를 이용해 웨이퍼 하단부위에 이름을 적어준다.
200mm웨이퍼의 경우 플랫 존(Flat Zone)에 300mm 웨이퍼의 경우 노치(Notch) 부근에 고유 이름(Run Number)을 적어 준다.이러한 공정을 레이저 마킹(Lazer Marking)이라고 하는데 이 공정 또한 Diffusionb에서 관할하고 있다.
그리고 전공정의 거의 제일 마지막 스텝도 Diffusion에서 관할하고 있어서 반도체 Fab에서 처음과 마지막 스텝까지 진행하고 있다고 해도 과언이 아니다.

장인의 손길을 거쳐 흙이 도자기 예술품으로 거듭나듯

장인은 하나의 예술 작품을 만들기 위해 몇날 며칠의 고생을 마다하지 않는다. 장인의 손을 거쳐 열정과 노력으로 만들어진 도자기는 또다시 도자기를 굽는 가마에 들어가 1300도에 이르는 고온을 견뎌내어야만 더 가볍고, 더 단단하며 아름다움 빛이 도는 진정한 예술작품이 될 수 있다. 그리고 냉정한 판단력으로 정말 좋은 작품을 엄선한다.

반도체에서도 제조공정에서도 수율에 문제가 되거나 작은 결점이라도 있다면 부숴버린다. 라인에서는 Reject 또는 Scrape 처리를 한다고 한다. 그래서 수율과 생산량이 제조에서 중요한 이유가 여기에 있다.

Diffusion 공정은 반도체 회로가 더 미세화되고 발전해감에 따라 독성가스를 더 많이 사용하고 독성도 더 독해지고 있다.