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K-반도체 특집 : ‘마법의 돌’, 반도체란 무엇인가우리 생활 곳곳에 스며든 반도체의 모든 것

스마트폰, 컴퓨터, 자동차 등 우리 일상 곳곳에서 사용되고 있는 반도체. 익숙하기는 하지만, 정확히 반도체가 무엇이고 어떤 역할을 하는지 아는 사람은 드물다. ‘마법의 돌’이라고 불리며, 우리 생활에 마법 같은 역할을 하고 있는 반도체에 대해 짚어본다.

반도체는 전기가 통화는 물질은 도체와 통하지 않는 물질의 중간 성질을 가진 물질이다.(삼성SDI)

반도체란?

반도체는 도체와 부도체의 중간 성질을 지닌 물질을 말한다. 도체처럼 전기가 통하기도 하고 부도체처럼 전기가 안 통하기도 하는데, 일반적으로 전기가 통하지 않지만 불순물을 첨가하거나 빛, 열, 등 외부자극이 있을 경우 반도체의 성질이 크게 바뀌어 전기가 흐르게 되는 것으로 나타났다.

대표적인 반도체 물질은 실리콘과 게르마늄이 알려져 있다. 규소라고도 불리는 실리콘은 지구에서 산소 다음으로 풍부해 쉽게 구할 수 있어 반도체 재료로 널리 사용되고 있는 것으로 나타났다. 일반적으로 반도체는 실리콘처럼 주기율표 4족의 원소로, 반도체의 특이한 성질은 원자구조로 인해 나타나게 된다.

여기서 과학시간에 배웠던 지구상에 있는 원소들의 특징을 정리한 주기율표와 원자를 구성하는 원자핵, 전자의 관계에 대해 잠깐 생각해보자. 주기율표는 원자번호에 따라 원소를 배열한 것으로, 원자번호가 증가할수록 원자핵과 전자의 수가 증가하고, 원소들의 특징이 달라지며 전기적 특성이 결정된다.

원자 속에서는 원자주변을 전자들이 일정한 궤도로 움직이는데, 전자의 수가 많아질수록, 궤도가 1개, 2개, 3개로 증가하게 된다. 그리고 가장 마지막 궤도인 최외각에 있는 전자들은 그 궤도에 전자를 8개로 채우려는 성질이 있는 것으로 알려졌다. 예를 들어 원자의 최외각 전자가 6개뿐이라면, 다른 원자와 최외각 전자 2개를 공유해 분자가 되면서 최외각 전자를 8개로 만들려는 성질이 강한 것이다.

실리콘은 주기율표 14족 원소로 최외각 전자가 4개이기 때문에, 실리콘 원자들끼리 결합하면 원자들 모두 최외각 전자가 8개가 되지만, 이 상태에서는 전자들이 안정적으로 묶여 있기 때문에 전기가 잘 통하지 않는다. 이에 전기가 통하기 위한 방법으로 소량의 불순물을 주입하는데, 실리콘보다 최외각 전자가 1개 모자란 3족 원소, 혹은 최외각 전자가 1개 더 많은 5족 원소를 주입하면 1개의 정공 또는 잉여전자가 생겨 전기적인 특성이 나타나게 되는 것이다.

웨이퍼 위에 감광액을 도포한 후 마스크에 빛을 통과시켜 회로를 그려넣는 과정(삼성SDI)

일반적인 상태에서는 전기가 흐르지 않지만, 전압과 같은 외부자극이 들어오면, 비어있는 정공이나 잉여전자가 제자리를 찾기 위해 움직이면서 전기가 흐르게 된다. 실리콘에 불순물만 넣으면 끝나는 것처럼 보이지만, 우리가 실생활에 사용하기 위해서는 실리콘 웨어퍼 제조, 전자회로 설계, 마스크제작, 웨이퍼 가공, 조립 등 복잡한 과정을 거쳐야 한다. 또한, 웨이퍼에 패턴을 형성하거나 반도체 회로 보호를 위해 SOH, SOD, EMC, CMP 등 공정 소재가 필요하다.

반도체 소재들

전자재료는 반도체, 디스플레이, 배터리 등 전자제품 및 부품을 제조할 때 직간접적으로 사용되는 소재를 말한다.

먼저, 반도체 패터닝 소재를 살펴보면 ‘SOH’는 반도체 미세 패턴 구현을 위한 보조재료로 갭을 채워 평탄화를 시켜주는 특성을 요구한다. 삼성SDI의 경우, SOH는 반도체 패턴을 구현하는 과정에서 새로운 방법의 코팅 방식에 사용되는 소재로 반도체 회로패턴 형성시 기존의 증착 방식이 아닌 스핀코팅 방식으로 막을 형성하는 미세 패턴 형성 재료로, 미세 선폭의 패턴 정확도를 구현하는 것으로 알려졌다.

여기서 증착은 금속을 고온으로 가열해 증발시켜 그 증기를 통해 금속을 밀착시키는 방법을 말하며, 스핀코팅은 코팅물질을 웨이퍼 위에 떨어뜨리고 고속으로 회전시켜 얇게 퍼지게 하는 공정이다.

또 다른 소재로는 ‘SOD’가 있다. SOD는 실리콘 박막 제조공정에서 적용되는 코팅물질로 반도체의 트랜지스터와 트랜지스터 사이의 서로 간섭이 없도록 절연해주는 코팅물질이다. SOD는 트랜지스터 간 절연을 위해 갭 내부를 채우는 과정에서 패턴이 좁아짐에 따라 기존 CVD 공정을 대신해 스핀코팅 재료로 사용된다.

웨이퍼는 반도체 집적회로를 만드는 토대가 되는 얆은 원판 모양의 판이다.(삼성SDI)

삼성SDI의 경우, SOD 기포의 결손을 개선한 저 반응성 SOD를 개발한 것으로 알려졌다. 여기서 CVD 공정은 반도체 제조공정에서 웨이퍼 표면에 있는 실로콘 등의 박막을 화학반응을 통해 성장시키는 공정을 말한다.

‘CMP 슬러리’는 웨이퍼 표면을 매끄럽게 하는 연마제로 반도체의 미세 패턴 및 적층회로를 구성할 때 웨이퍼 표면에 불필요하게 형성된 박막을 평탄화시키는데 사용되는 소재다. 반도체의 미세패턴화 트렌드에 따라 공정에서 필수적인 제품으로 주목받고 있다.

반도체 패키징 또한 매우 중요한 요소다.

디지털 기기에서 가장 중요한 부분은 바로 신호를 송수신하고 계산하는 회로와 칩인데, 이 회로와 칩의 보호는 매우 중요하다. 완성된 웨이퍼 칩 상태로 패키징하는 공정에 소요되는 재료는 휴대폰, 태블릿 PC 등 모바일 기기의 초소형, 초박형, 저전력 기술 요구에 부합하는 고성능, 고집적 패키징 소재가 요구된다.

이러한 역할을 하는 특수한 소재들이 있는데, 이 소재중 하나가 바로 EMC다. EMC는 반도체 소재를 외부환경으로부터 보호하는 열경화성 복합재료로 습기, 충격, 열, 전하 등 외부환경으로부터 반도체 칩을 보호하기 위해 사용된다. 쉽게 말하면 반도체 내부를 보호하는 옷이라고 할 수 있다.

임플란트는 반도체가 전기적 특성을 갖게 하기 위해 불순물을 주입하는 과정이다.(삼성SDI)
임플란트는 반도체가 전기적 특성을 갖게 하기 위해 불순물을 주입하는 과정이다.(삼성SDI)

 

반도체는 어떻게 만들까

반도체는 스마트폰, 블루투스 이어폰, 텔레비전 등 우리가 흔히 사용하는 전자기기에 반드시 들어간다. 반도체는 전자기기 안에서 전기신호를 처리하고 정보를 저장하기도 하며 정보를 계산해 동작하도록 하는 연산 및 제어 등 매우 중요한 역할을 한다.

그렇다면 이러한 반도체의 각 단계별 제조공정은 어떨까. 반도체의 제조공정은 크게 웨이퍼 위에 회로를 만드는 전공정, 기판 위에 만들어진 회로들을 하나씩 잘라 외부와 접속할 선을 연결하고 패이킹해 최종 상품으로 만드는 후공정을 나눌 수 있다.

첫 번째 단계로는 반도체의 기초가 되는 웨이퍼 제조 단계다. 모래로부터 추출한 실리콘을 뜨거운 열로 녹여 고순도 실리콘 용액으로 만든 후 이것으로 실리콘 기둥인 잉곳(Ingot)을 만든다. 잉곳을 얇게 절단해 매끄럽게 연마한 것이 바로 웨이퍼다.

두 번째는 불순물로부터 웨이퍼 표면을 보호하기 위해 페이퍼 표면에 산소나 수증기를 뿌려 실리콘 산화막을 형성시킨다. 산화막은 웨이퍼 표면의 보호막 역할과 동시에 웨이퍼 위에 그려지는 각 배선이 합선되지 않도록 구분해주는 절연막 역할을 하기도 한다.

반도체는 전자기기 안에서 전기신호를 처리하고 정보를 저장하기도 하며 정보를 계산해 동작하도록 하는 연산 및 제어하는데 중요한 역할을 한다.(삼성전자)

세 번째는 웨이퍼 위로 회로를 그려 넣는 포토공정이 필요하다. 먼저 웨이퍼 상에 구현될 전자회로를 설계한 후 이 회로패턴을 유리판 위에 그려 넣은 포토 마스크 만든다. 그런 다음, 웨이퍼 상에 감광액을 도포해 웨이퍼를 사진 인화지와 비슷한 형태로 만든 후, 노광장비를 사용해 회로패턴이 담긴 마스크에 빛을 통과시켜 웨이퍼에 회로를 그려 넣게 된다. 마지막으로 웨이퍼에 현상액을 뿌려 가며 노광된 영역과 그렇지 않은 영역을 선택적으로 제거해 회로패턴을 형성한다. 쉽게 말하면, 일반 사진을 현상하는 과정과 동일하다고 할 수 있다.

네 번째는 특정 회로패턴을 구현하는 식각공정이다. 앞서 포토공정을 통해 웨이퍼에 그려진 회로패턴을 완성시키는 공정에서는 웨이퍼의 표면에 여러 종류의 막을 형성시켜 마스크를 이용해 특정부분을 선택적으로 깎아내는 작업을 반복함으로써 반도체의 구조가 형성된다.

다섯 번째는 반도체가 원하는 전기적 특성을 갖게 하는 증착공정이 진행된다. 웨이퍼 위에 원하는 분자 또는 원자 단위의 물질을 박막(1마이크로미터 이하의 얇은 막)의 두께로 입혀, 전기적인 특성을 갖게 하는 과정이 증착이다. 증착공정에서는 반도체가 전기적 성질을 갖도록 하귀 위해 붕소, 인, 비소 등의 이온을 회로패턴과 연결되는 부분에 주입시키게 되는데, 이를 이온주입공정이라고 하며 이 공정을 통해 반도체는 일정한 전도성을 갖게 되는 것이다.

웨이퍼 상에 구현될 전자회로를 설계한 후 이 회로패턴을 유리판 위에 그려 넣은 포토 마스크 (위키피디아)

전기를 통하게 하는 마지막 작업인 금속배선 공정이 여섯 번째로 진행된다. 전기가 잘 통하도록 회로패턴을 따라, 전기길, 즉 금속선을 이어주는 과정을 금속 배선 공정이라고 하며 주로 알루미늄이 사용되고 있다.

여덟 번째, 반도체의 마지막 공정인 패키징이다. EDS 테스트를 거친 웨이퍼는 절단기로 잘라 낱개의 칩으로 분리한 후 전기신호가 통할 수 있도록 연결해주는 공정, 그리고 외부 습기나 충격으로부터 반도체 집적회로를 보호하고 원하는 형태의 패키지로 만드는 성형 공정을 거친다. 이렇게 패키징 공정까지 마치면 우리가 알고 있는 바로 그 반도체의 모습이 완성된다.이후 일곱 번째로 양품과 불량품을 선별해내는 EDS 테스트가 진행된다. EDS 테스트에서는 전기적 특성검사를 통해 웨이퍼 상태로 있는 각각의 칩들이 원하는 품질 수준에 도달하는지를 체크하고, 양품과 불량품을 판정해낸다.

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