IC(집적회로)

실리콘 원소를 함유한 모래에서부터 IC까지의 제조공정은 다음과 같 다. 먼저 모래로부터 고순도 다결정 실리콘을 제조하며, 다결정 실리콘은 결 정 성장을 통해 직경 12 인치, 두께는 약 400 μm인 웨이퍼를 만든다. 다음으 로, BJT 및 MOSFET 등의 반도체 소자를 포함한 IC를 제조하는 공정을 거쳐, 마지막으로 패키지 및 검사과정을 마치게 되면 IC가 완성된다. (1) 고순도 폴리실리콘 제조과정 IC를 만들 수 있는 실리콘은 PPB(part per billion) 이하의 불순물이 포함된 아주 고순도이어야 하기 때문에 복잡한 추출과정을 거치게 된다. 모래 에서 다결정 실리콘을 추출하고, 다결정 실리콘으로부터 단결정 성장의 두 단 계가 필요하다. 먼저 산화 실리콘인 모래에서부터 다결정 실리콘을 추출하는 데에는 수소 환원과 같은 방법을 쓴다. 수소 환원은 사염화규소 혹은 삼염화 사일렌으로 시작한다. SiCl4 + 2H2 -> 4HCl + Si 2SiHCl3 + 2H2 -> 6HCl + 2Si 이 실리콘은 다결정 실리콘이다. (2) 단결정 성장 및 웨이퍼 제조과정 다결정 실리콘에서 단결정 실리콘으로 성장하기 위한 방법으로 cy코랄 스키 방법 및 부유대역 방법이 있다. 좀 더 자세한 설명은 다음 절을 참조하 라. 단결정 실리콘 봉을 잘라낸 것이 웨이퍼이다. 도핑된 실리콘 웨이퍼를 만 들기 위해서는 단결정 성장시 원하는 불순물을 첨가하여야 한다.

(3) 반도체 소자를 포함한 IC 제조 공정 IC 제조 공정은 많은 복잡한 공정이 필요하다. 이를 분류해보면 다음 과 같은 기본 공정으로 나눌 수 있다. ① 박막 형성 여러 가지 물질의 박막을 웨이퍼 표면에 성장 혹은 증착한다. 박막은 게이트 산화막 혹은 필드 산화막과 같이 반도체소자의 구성 성분으로 사용되기도 하 고, 불순물의 선택적인 주입을 위한 포토리소그라피 공정중의 불순물 마스킹 으로도 사용되기도 한다. ② 패턴 형성 포토리소그라피라는 공정을 통해 마스크라는 유리판에 있는 패턴을 실리콘 웨 이퍼로 복사한다. ③ 도핑(불순물 주입) 마스크에서 웨이퍼로 복사된 패턴을 이용하여 원하는 부분을 도핑, 즉 불순물 을 주입한다. 도핑에는 열적 확산(diffusion)과 이온 주입(ion implantation) 두 종류가 있다. (4) 패키지 및 검사과정 웨이퍼는 최종적으로 수분 혹은 기타 불순물의 침투를 막기 위하여 보 호막(passivation)을 입힌다. 이 때 본딩 패드는 온웨이퍼 테스트 및 본딩을 위하여 노출된다. 공정을 마친 웨이퍼는 칩의 동작을 확인하기 위한 웨이퍼 선별을 한다. 보호막에서 노출된 본딩 패드를 금속 프로브로 연결하여 동작 및 기능 확인을 하여 통과한 칩만 패키징에 들어간다. 3.3 반도체 소자, 칩, 웨이퍼 크기 우리가 방송이나 책, 신문 등에서 보고 듣는 DRAM 혹은 플래시메모리 에 들어가는 반도체 소자인 MOSFET 트랜지스터의 크기는 얼마 정도인가? 우리 가 제일 쉽게 접하는 PC, PDA 등의 핵심 칩인 CPU와 DRAM 메모리에는 이러한 반도체 소자가 몇 개나 들어가 있을까? 이러한 의문들을 가져보지 않은 사람 은 없을 것이다. 만약 이런 의문이 없었다면 반도체에 대한 관심이 전혀 없는 사람일 것이다. 몇 년 전의 IMF 위기를 가져온 중요한 원인 중의 하나도 반도 체 수출이 급감했기 때문이라는 주장도 있었다. 최신의 반도체 소자는 예들 들어 0.18 μm 설계 규칙(design rule)으 로 만들어 진다. 물론 반도체 제조 기술이 발전함에 따라 이 설계 규칙은 점 점 줄어든다. 설계 규칙이라 함은 반도체 웨이퍼에 만들 수 있는 반도체 소자 패턴의 최소 단위이다. 예를 들어, 0.18 μm DRAM이라고 할 때, 0.18 μm는 설계 규칙을 이야기하며 DRAM에 들어가는 MOSFET 게이트 길이는 0.18 μm이 다. 1 μm란 1/10000 cm로 0.18 μm의 길이를 상상하기는 아주 힘들지만, 실 리콘 반도체에서 원자와 원자사이의 거리가 약 2.4Å(= 2.4x10-4 μm)으로 게 이트 아래에 실리콘 원자가 750개가 줄을 서고 있다고 생각하면 된다. 최근 1G DRAM이 개발되었는데 여기에는 트랜지스터와 커패시터가 각각 10억 개가 내장되어 있는 것이다. 요즈음 최신 반도체 기술은 12 “(30 cm) 실리콘 웨이퍼를 사용한다. 만약 1G DRAM 칩의 크기가 1 cm x 1 cm이라면(최신 기술의 경우 칩 면적을 공 개하지 않는다. 왜냐하면 칩 면적이 공개되면 이 회사의 기술수준을 알 수 있 기 때문에.) 1 개의 12” 실리콘 웨이퍼로 약 600 개 정도의 IC가 나온다. 그 림 3.1에 실리콘 웨이퍼와 IC 칩 다이를 보여주고 있다. 웨이퍼의 아래 잘린 부분은 major flat으로 불리는데 실리콘 결정 구조가 배열된 방식을 나타낸 다.

반도체 소자의 길이(0.18 μm = 0.18 x 10-4 cm)와 반도체 웨이퍼의 직 경(30 cm)을 비교해 보았는데, 소자의 깊이와 웨이퍼의 두께도 흥미롭다. 대 표적인 반도체 소자인 MOSFET의 중요 부분인 소스와 드레인의 깊이는 약 0.1 μm 정도이며, 반도체 웨이퍼의 두께는 수 백 μm이다. 실리콘 웨이퍼 중에서 극히 일부분만이 반도체 소자에 사용하고 있는 것이다. 다음으로 현재의 대표적인 반도체 소자인 BJT와 MOSFET의 구조와 공정 에 들어가기 전에 BJT와 MOSFET의 공통점과 차이점을 알면 공정이 쉽게 이해 될 것이다. BJT와 MOSFET는 모두 트랜지스터이며, 증폭 및 스위칭의 두 가지 기능은 동일하지만, 기본 동작원리와 구조는 매우 다르기 때문에 공정도 달라 진다. BJT는 캐리어의 베이스에서의 확산(diffusion)에 의해서 전류가 형성되 며, MOSFET는 채널에서의 캐리어 드리프트(drift)에 의해 전류가 흐른다. 따 라서 BJT의 콜렉터 전류는 베이스-에미터 입력 전압에 지수함수적으로 변화하 며, MOSFET의 드레인 전류는 게이트-소스 입력전압의 제곱에 비례한다. 이러 한 성질에 의하여 BJT의 전류는 MOSFET의 전류에 비하여 입력전압에 더 민감 하여, 즉 트랜스컨덕턴스가 더 커서 높은 전압 이득과 빠른 스위칭 속도를 낼 수 있기 때문에 더 좋은 트랜지스터라고 볼 수 있다. 그러나 BJT는 MOSFET보 다 전류가 많이 흐르기 때문에 전력소모가 증가하는 단점이 있다. 또한 BJT의 경우 트랜지스터 동작이 일어나는 베이스 영역이 표면에서 떨어진 기판 내부 에 위치하며, MOSFET의 동작을 결정하는 채널은 실리콘 기판의 표면에 있다. 이렇게 BJT의 베이스가 표면이 아닌 기판 내부에 위치하는 BJT 구조는 제작 공정을 복잡하게 만든다. 결론적으로 BJT는 MOSFET보다 우수한 특성을 가지나 복잡한 구조와 공정으로 인하여 제작 단가가 증가하여 요즈음의 거의 모든 IC 들은 MOSFET으로 만든다. 물론 RF와 같은 고속을 요하는 특수한 용도의 경우 BJT가 사용된다.