반도체 소자의 제조 공정

[반도체 소자의 제조 공정]

 

실리콘 원판 위에 반도체 소자의 전기적 회로를 제작하기 위한 전(前)공정(Front-end Process)은

1) 웨이퍼 표면에 회로가 그려질 얇은 막을 증착하는 박막(Thin Film) 공정,

2) 증착된 박막에 전기적 특성을 제공하기 위하여 불순물(Dopant)을 주입(Doping)하는 불순물 주입(Implantation) 공정,

3) 주입된 불순물이 박막에 적절히 분포하도록 열을 가하는 열처리 (Diffusion) 공정, 4) 레티클(Reticle) 또는 마스크(Mask)에 사전 제작된 회로 패턴 (Pattern)을 박막 표면에 전사하기 위하여 감광제(Photo Resist)를 필름 표면에 바르고 (Coating) 노광 후 감광된 감광제를 제거하여 현상(Developing)하는 사진(Lithography) 공정,

5) 남아 있는 감광제를 보호막으로 이용하여 노출된 필름을 제거하는 식각(Etch) 공정,
6) 남아 있는 감광제를 제거하고 부가적으로 형성된 이물질을 제거하는 세정(Cleaning) 공정,

7) 만들어진 회로 패턴을 보호하고 절연을 시키기 위한 후막(Thick Film)을 만드는 증착(Deposition) 공정,

8) 증착된 후막을 이후 사진 공정을 위하여 평탄하게 만드는 평탄화(Planarization) 공정,

9) 형성된 패턴의 크기, 두께, 불순물 농도 등을 측정하는 계측(Metrology)공정과 불량으로 형성된 패턴 결함(Pattern Defect)과 이물(Particle) 등을 검출하는 검사(Inspection) 공정으로 구성됩니다.

최신 반도체 소자의 제조를 위한 전(前)공정은 약 3,000 개의 단위 공정으로 구성되어 있으며 계측, 검사 공정의 비율은 약 30%에 이르고 있습니다.

 

[계측, 검사 공정의 중요성]

 

실리콘 원판 위에 제작되는 반도체 소자의 집적도가 2년마다 두 배 증가한다는 무어의 법칙에 따라 반도체 소자의 임계선폭(Critical Dimension)의 미세화가 진행되면서 반도체 공정의 관리폭(Process Margin)도 점점 극한으로 작아지고 있으며, 이에 따라 수율 확보 및 관리에 어려움이 더욱 커지고 있습니다. 반도체 제조 공정의 수율 저하 요인의 약 60%는 박막 두께의 오류, 임계선폭의 오류, 오정렬, 주입된 이온 농도 및 분포의 오류 등으로 알려져 있으며(Metrology Loss), 나머지 약 40%는 패턴 결함 때문인 것으로 알려져 있습니다(Inspection Loss). Metrology Loss는 공정 품질의 개선 및 관리를 통하여 통제가 가능한 항목이나 패턴 결함의 발생은 미리 예상하거나 예방이 불가능하여 Inspection Loss 의 관리가 수율 확보에 가장 중요한 항목입니다.

 

[반도체 전(前)공정의 패턴 결함 검사 기술의 개요]

 

반도체 전(前)공정 패턴 결함 검사(Inspection) 기술은 웨이퍼를 이용하여 전기회로를 형성하는 과정에서 발생하는 패턴의 결함 및 이물을 검출하는 것으로서 반도체 후(後)공정에서 반도체 소자의 전기적 특성을 평가하는 검사(Test) 기술과 전혀 다른 분야입니다.

 

다음은 반도체 전(前)공정 패턴 결함 검사는 웨이퍼 표면에 형성된 회로의 이미지를 촬상한 후 반복되는 동일한 이미지와 비교하여 차이점을 검출하는 과정입니다.

반도체 전공정용 패턴 결함 검사 장비의 시장 규모는 전방 산업인 반도체 소자 산업의 투자 규모에 의하여 결정됩니다. 반도체 소자 산업의 투자 싸이클(Cycle)을 분석, 추정하여 반도체 전공정용 패턴 결함 검사 장비 시장의 변화를 예측할 수 있습니다.

 

[산업의 특성]

반도체 장비산업의 특징은 1) 기술집약형 산업, 2) 급속한 기술혁신이 요구되는 산업, 3) 반도체 업계의 성장추이에 종속, 4) 고가의 자본재 산업, 5) 진입장벽인 높은 산업, 6) 수입의존도가 높은 산업 등으로 요약할 수 있습니다.

[ 반도체 장비 산업의 특성 ]

산업특징세부 내용

기술집약형 산업	반도체 장비는 전자, 전기, 화학, 광학 등의 기술집약형 산업이며 반도체 기술 발전으로 반도체 장비의 기술수명이 짧아 지속적인 R&D투자가 중요
급속한 기술혁신이 요구되는 산업	반도체 장비산업은 반도체 산업과 마찬가지로 기술발전속도가 빠르고 그 결과 진화속도가 빠르며 기술수명이 짧아 설비의 평균 기술수명이 3~5년 정도임
반도체 업계의 성장추이에 종속	반도체 장비는 사용자의 요구사항에 맞게 생산되는 주문자 생산방식이 대부분으로 주문량에 의해 그 수요가 결정됨. 반도체 장비 발주는 반도체 호황기에 집중되고, Downcycle에는 급감하여 변동폭이 반도체 및 타 산업 대비 큰 편임.
고가의 자본재 산업	반도체 장비산업은 고가의 자본재 산업으로 투자부담이 큰 편이며, 활용되는 전문 구성품 또한 다양하고 고가인 특성을 지니고 있어 막대한 투자비용을 필요로 함
진입장벽이 높은 산업	반도체 장비 산업은 장치위주의 산업으로 고가의 제품이라, 품질의 신뢰도가 높고 시장에서 검증된 측면에서 선진국 제품을 구매하고자하는 경향이 강하기 때문에 신뢰성 문제 등으로 인해 진입장벽이 높음
수입의존도가 높은 산업	국내 반도체 소자기업의 공정라인은 외산장비가 장악하고 있으며, 장비 국산화율은 낮은 수준에 머물러 있음

(Source: 2019 Issue Report - 반도체 장비, 소재산업 동향, 한국수출입은행, 2019.05)