2편 - 반도체 제조 공정의 모든 것: 웨이퍼에서 패키징까지 한 번에 보기

반도체 제조 공정의 모든 것: 웨이퍼에서 패키징까지 한 번에 보기

반도체 칩은 수백 공정의 정밀한 누적 결과물입니다. 웨이퍼 성장 → 박막 형성 → 포토리소그래피 → 식각 → 도핑 → CMP → 배선 → 테스트·패키징까지 핵심 흐름과 기술 포인트를 한 번에 정리합니다.

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1) 웨이퍼 제조: 단결정 실리콘 성장(CZ)

고순도 폴리실리콘을 재용해하여 단결정 잉곳을 뽑아내는 Czochralski(CZ) 방식이 표준입니다. 직경 300 mm(12인치)까지 확장되었고, 산소·탄소 등 불순물 관리와 결함 억제가 핵심입니다.

[그림1] Czochralski 실리콘 단결정 성장 개략도

2) 산화/박막 증착: SiO₂, SiN, 유전체·금속 박막

열산화로 게이트 산화막을 형성하고, CVD/ALD/PVD 등으로 다양한 유전체·금속 박막을 증착합니다. 박막 조성·응력·두께 균일도가 소자 신뢰성에 직결됩니다.

3) 포토리소그래피: 마스크 패턴의 전사

포토레지스트 도포 → 노광 → 현상 순서로 패턴을 웨이퍼에 전사합니다. 첨단 노드에선 EUV(13.5 nm)가 핵심이며, 레지스트 감도·선폭 거칠기(LER)·마스크 결함 관리가 관건입니다.

[그림2] 포토리소그래피 공정(도포→노광→현상)

[그림3] 클린룸 포토리소그래피 라인

[그림4] EUV 리소그래피 line-end(끝단) 형상 과제의 예

4) 식각(Etching): 패턴 구현의 핵심

습식 식각은 등방성, RIE/DRIE 같은 건식 식각은 이방성으로 미세 패턴을 구현합니다. 레지스트·하드마스크 선택, 측벽 형상·잔류물 관리가 중요합니다.

[그림5] 습식 식각 vs RIE 비교

[그림6] RIE 장치 구조 개요

[그림7] DRIE(보쉬) 공정 스텝

5) 도핑: 이온 주입/확산

도핑은 전자/정공 농도를 제어합니다. 이온 주입은 에너지·선량·각도를 정밀 제어하고 후속 열처리(활성화/확산)로 전기적 활성화를 확보합니다.

[그림8] 이온 주입(Implanter) 개념

6) CMP(평탄화): 다층 배선의 토대

CMP는 화학 반응과 기계 연마를 결합해 표면을 평탄화합니다. 미세 패턴에서 디싱(dishing), 에로전(erosion)을 제어해 균일도를 확보하는 것이 관건입니다.

[그림9] CMP 적용/미적용 단면 비교

7) 금속 배선/인터커넥트: 듀얼 다마신

구리 배선은 듀얼 다마신(비아+트렌치 동시 형성) 공정으로 제작하는 경우가 많습니다. 배리어/시드 증착, 전해 도금, CMP가 반복되며, RC 지연·신뢰성(EM) 관리가 중요합니다.

[그림10] 듀얼 다마신(Via First) 개념

8) 테스트/패키징(요약)

웨이퍼 테스트 → 다이 분리 → 패키징(와이어본딩/플립칩 등) → 시스템 레벨 테스트 순으로 품질을 검증합니다. (패키징 세부는 별도 편에서 다룹니다.)

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결론: 공정의 디테일이 성능을 결정합니다

각 단계의 공정창(process window)·결함 밀도·변동성 관리가 칩 성능과 수율을 좌우합니다. 다음 3편에서는 이 공정 생태계를 토대로 글로벌 산업 구조와 주요 기업 전략을 살펴봅니다.

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자주 묻는 질문(FAQ)

Q1. EUV가 항상 정답인가요?

아닙니다. 해상도는 뛰어나지만 비용·마스크/레지스트 과제가 있습니다. 멀티패터닝·하이브리드 공정과의 절충이 여전히 현실적입니다.

Q2. DRIE는 어디에 주로 쓰나요?

MEMS·딥 트렌치·TSV 등 고종횡비 구조 형성에 유용합니다. 측벽 보호·후공정 잔류물 제어가 중요합니다.

Q3. 도핑 후 열처리는 왜 필수인가요?

주입된 이온을 결정 격자 내에 전기적으로 활성화하고, 손상 복구·프로파일 형성을 위해 필요합니다.

Q4. 듀얼 다마신의 장점은?

비아와 트렌치를 통합해 공정 단계를 줄이고, 구리 배선 형성의 효율을 높입니다. 다만 배리어/라이너·도금 균일성 관리가 관건입니다.

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• [3편 예고] 글로벌 반도체 산업 구조와 주요 기업 전략
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• TSV·패키징 트렌드: 와이어본딩 vs 플립칩 vs 팬아웃

키워드: 반도체 제조 공정, Czochralski, 포토리소그래피, EUV, RIE, DRIE, 이온 주입, CMP, 듀얼 다마신, 인터커넥트