반도체란 무엇일까? 반도체의 기본원리와 8대 공정

 

 

 

 

한국 경제에서 가장 중요한 산업은 무엇일까요?

전체 수출액의 20%를 차지하고 있는 반도체일 것입니다.

 

반도체는 전자제품뿐만 아니라

자동차, 무기에 이르기까지 다양한 곳에 사용되며

인공지능 시대에도 그 중요성이 계속 커질 것으로 예상되고 있습니다.

 

강대국들이 반도체 패권을 차지하기 위해서

치열한 경쟁을 펼치고 있는 이유입니다.

 

 

이번 영상에서는 반도체의 기본원리와

제조공정에 대해서 자세히 알아보겠습니다.

오늘 영상은 <진짜 하루 만에 이해하는 반도체 산업> 책의 내용 중

일부를 발췌해서 만들었습니다.

 

영상에서는 반도체 원리와 제조 공정에 관해 설명만 할 텐데요

책에는 반도체의 원리나 제조 공정뿐만 아니라

반도체의 역사와 종류

반도체 기업들의 역할과 각기업들의 강점과 약점

그리고 주요 국가들이 어떻게 주도권 전쟁을 벌이고 있는지 등

반도체 산업에 큰 그림과 핵심 개념이 자세히 나와 있습니다.

 

반도체에 관심이 있거나 전공하시려는분들

또는 반도체 기업에 투자하려는 분들이 읽어보시면

많은 도움이 될 거로 생각합니다.

 

 

 

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철이나 구리 같은 금속 물질은 전기가 통하고

종이나 고무 같은 물질은 전기가 통하지 않습니다.

전기가 통하는 물질을 도체

전기가 통하지 않는 것은 부도체라고 합니다.

 

금속 같은 도체에는 자유전자가 있고

이 전자들이 자유롭게 이동할 수 있습니다.

전류가 흐른다는 건

전자처럼 전하를 띤 입자들이 이동한다는 의미인데요

그래서 금속은 전자들이 이동할 수 있기 때문에 전기가 통합니다.

반면 부도체에는 자유전자가 없기 때문에 전기가 통하지 않죠.

 

 

그럼 반도체는 어떨까요?

단어의 의미를 조금 생각해보면

반만 전기가 통한다는 말인 것 같은데요

 

반도체는

전기가 통하지 않는 부도체를 인위적으로 조작해서

전기가 통하는 도체로 만든 물질입니다.

 

도체가 필요했다면

처음부터 전기가 잘 통하는 물질 아무거나 쓰면 되지 않았을까요?

굳이 힘들게 부도체를 도체로 바꿔서 사용할 필요는 없어 보입니다.

아무래도 그 이유가 있을 것 같은데요

인위적인 조작을 통해 우리가 얻을 수 있는 장점이 무엇인지

하나씩 알아보도록 하겠습니다.

 

 

모든 물질은 원자로 이루어졌습니다.

원자는 원자핵과 전자로 구성되어 있죠.

가장 바깥쪽에 있는 전자를 최외곽전자라고 하는데

최외과전자는 2개 또는 8개일 때 원자는 안정적인 상태를 유지하고

다른 원자를 만나도 쉽게 반응하지 않습니다.

 

반도체에 많이 사용하는 실리콘은

최외곽전자가 4개입니다.

그래서 실리콘 원자들은

주변 실리콘 원자들과 전자를 공유하면서

8개의 최외곽전자를 확보하고 안정적인 상태가 됩니다.

 

이렇게 안정적인 상태가 되면

이동할 수 있는 전자가 없어지게 되고

전기가 통하지 않는 부도체의 특성을 띠게 됩니다.

 

이 실리콘 덩어리를 전기가 통하게 만들려면

움직일 수 있는 전자들을 만들어 줘야 합니다.

방법은 두 가지인데요.

전자를 넣거나 또는 빼는 것입니다.

 

실리콘 원자보다 최외곽전자가 하나 더 많은 인을 주입하거나

하나 적은 붕소 같은 원자를 넣어주는 것입니다.

 

인을 넣어주면

실리콘과 결합한 후에

전자가 하나 남게 되는데

이 전자는 자유롭게 이동할 수 있어서 전기가 통하게 됩니다.

 

또 붕소를 넣어주면

전자가 하나 부족해집니다.

이 빈자리를 전공이라고 하는데

다른 전자가 이 전공으로 이동할 수 있습니다.

 

전공은 실제로 움직이는 건 아니지만

전자와 반대로 움직이는 것처럼 보입니다.

마치 플러스 전하를 띤 입자처럼 행동하는데요

전공이나 전자처럼 전하를 띤 입자가 움직일 때 전류가 흐르게 됩니다.

 

 

전자가 하나 더 많은 반도체는

음의 성질을 띠고 네거티브의 N을 따서

N형 반도체라고 합니다.

 

전자가 하나 부족한 반도체는

양의 성질을 띤다는 의미로

파지티브의 P를 따서

P형 반도체라고 합니다.

 

우리가 굳이 반도체를 만들어 사용하는 이유는

이 N형 반도체와 P형 반도체가 서로 만날 때 그 능력을 발휘하기 때문인데요

이 반도체들을 조합하면

다이오드나 트랜지스터 같은 대표적인 반도체 소자들을 만들 수 있습니다.

 

P형 반도체와 N형 반도체를 서로 접합시켜보겠습니다.

P형 반도체에는 전공이 있고

N형 반도체에는 자유전자가 있습니다.

접한 면에 있는 자유전자가 전공으로 이동하면서 구멍을 채우게 됩니다.

상대적으로 전공은 반대로 이동한 것처럼 보입니다.

 

N형 반도체의 전자가 P형 반도체로 넘어가면서

N변 형반도체는 전자를 잃고 전기적으로 중성이 됩니다.

P형 반도체는 전자의 빈자리인 전공이 채워지면서 전기적으로 중성이 되죠.

 

전기적으로 중성이 되었다는 것은

전기를 통하게 하는 전자나 전공이 없다는 말로

한자로 공핍空乏이라고 합니다.

그래서 접합면 부분에는 공핍 영역이 생겨나게 되고

더 이상 전하의 흐름이 없어지게 됩니다,

 

이 상태에서 전압을 가해주면

전자들은 마이너스에 대한 반발력으로

P형 반도체 쪽으로 이동하려는 힘이 생기게 됩니다.

 

넘어간 전자들은 플러스 전압에 이끌려

전선을 타고 이동하면서 전류가 흐르게 됩니다.

 

전지를 거꾸로 연결하면

P형 반도체 전공들은 -극에 이끌리게 되고

N형 반도체의 전자들은 +극에 이끌려오게 됩니다.

 

공핍 영역은 더욱 커지게 되고

더 이상 전화의 움직임이 없게 됩니다.

그 결과 전류는 흐르지 않습니다.

 

이렇게 극의 방향에 따라 전기가 흐르게 할 수도 있고

흐르지 않게 할 수도 있는데

이것을 다이오드라고 합니다.

 

다이오드는 전류를 한 방향으로만 흐르게 해줍니다.

전류의 방향이 계속해서 변하는 교류를

한 방향으로 흐르는 직류로 바꿔줄 때

다이오드를 사용합니다.

 

우리가 매일같이 사용하는 핸드폰 충전기는

교류를 직류로 바꿔줘야 하는데

여기에 다이오드를 사용합니다.

 

다이오드 중에 빛을 내는 다이오드가 있습니다.

전자가 전공으로 넘어갈 때 에너지 차이에 의해 빛을 방출하는데요

이것을 발광 다이오드 LED라고 하고

LED 또한 우리 생활에서 많이 사용하고 있습니다.

 

다이오드의 반도체를 하나 더 붙여보겠습니다.

그리고 가운데 있는 반도체를 얇게 만들면 트랜지스터가 됩니다.

 

전지 2개를 이렇게 연결해보면

왼쪽에는 전류가 흐르는 다이오드 형태이고

오른쪽은 전류가 흐르지 않는 형태입니다.

 

그래서 전류는 왼쪽만 흐르고 있는데요

이 상태에서 왼쪽에 있는 전압을 높여주면 어떻게 될까요?

-극의 밀어내는 힘이 커지면서

P형 반도체를 뛰어넘는 전자들이 생기게 됩니다.

이렇게 전하의 이동이 일어나면서 오른쪽에도 전류가 흐르게 됩니다.

 

이처럼 전압을 높여주면

전류를 흐르게 할 수도 있고 흐르지 않게 할 수도 있습니다.

이런 트랜지스터의 기능을 스위치 작용이라고 합니다.

 

우리가 가끔 보는 트랜지스터인데요

반도체 안에는 이런 트랜지스터가 수십억 개나 들어 있습니다.

 

크기가 작지만

그래도 이런 트랜지스터를 작은 칩 안에 수십억개나 집어 넣는다는 건

불가능할 것입니다

그래서 이런 반도체 칩 안에는

모스펫이라고 하는 트랜지스터가 들어갑니다.

모스펫 역시 N형 반도체와 P형 반도체를 이용해서

스위치 역할을 할 수 있게 만들어 주었습니다.

 

모스펫의 위쪽에는 전압을 걸어주는 게이트라는 부분이 있고

그 밑에는 전기가 통하지 않게 해주는 절연층이 있습니다.

그리고 절연층 아래에는 P형 반도체가 있고

옆에 N형 반도체가 접합되어 있습니다.

 

P형 반도체에는 전공들이 많습니다.

위쪽에 플러스 전압을 걸어주면

P형 반도체에 존재하는 전자들이 끌려와서

절연층 바로 아래에 모여들게 됩니다.

 

절연층 바로 아래 영역은 P형 반도체지만

마치 N형 반도체처럼 전자의 농도가 높아지게 됩니다.

그래서 크게 보면 하나의 N형 반도체가 만들어진다고 볼 수 있는데요

N형 반도체는 자유전자를 이동하면서 전류가 흐를 수 있습니다.

 

이렇게 연결된 N형 반도체에도 전류가 흐르게 됩니다.

위쪽에 전자들이 모이면서 전기가 통하는 길을 만들어 주는 것입니다.

 

위에 있는 게이트에 적절한 전압을 걸어주면 전기가 통하고

그렇지 않으면 통하지 않게 됩니다.

 

 

반대로 PNP 형태의 모스팻은

전공을 이용해서 길을 만들어 줘야 합니다.

가운데 마이너스 전압을 가하면

전자들이 밀려나고 전공들이 모여들게 되면서

전공이 이동할 수 있는 길이 만들어집니다.

그래서 이 부분을 하나의 P형 반도체로 만들어 주게 되고 전류가 흐르게 됩니다.

 

결과적으로 모스팻은

NNN이나 PPP 형태로 만들어 줄 때 전기가 통한다고 볼 수 있습니다.

 

전자들에 의해 전류가 흐르면 N형 모스펫

전공에 의해서 전류가 흐르면 P형 모스펫이라고 합니다.

 

컴퓨터 CPU나 메모리 또 스마트폰의 CPU인 AP에도

모스펫 형태의 트랜지스터가 들어가 있습니다.

 

모스펫은 누설되는 전류를 줄이기 위해서 계속해서 진화해왔는데요

현재 모스펫의 주류는 핀펫이라는 형태입니다.

 

플레이나 타입의 모스펫은 이미지 센서나 디스플레이 등

선폭이 큰 제품에 주로 사용되고

스마트폰 AP나 컴퓨터 CPU같이 선폭이 작은 제품에는

핀펫이 주로 사용됩니다.

 

 

이 영상에서는 가장 기본적인 형태인

플레인의 모스펫의 제조 공정과 활용 방법에 대해서 알아보겠습니다.

먼저 이해를 돕기 위해서 전체 과정을 간단하게 살펴보겠습니다.

 

실리콘 웨이퍼의 단면입니다.

여기에 이렇게 모스펫을 만들어 줄 텐데요

먼저 웨이퍼를 산소와 반응시켜 산화막이라는 걸 만들어 줍니다.

나중에 이 N형 반도체를 만들기 위해서 이온을 주입하게 될 텐데

산화막은 다른 곳에 이온이 들어가지 못하게 막아주는 역할을 합니다.

 

모스펫이 만들어질 공간에 산화막을 깎아내야 하는데요

그러기 위해서 먼저 산화막 위에 감광약이라는 걸 뿌려줍니다.

이 액체가 굳으면 빛에 반응하는 감광층이 만들어집니다.

 

그 위에 포토마스크라는 걸 올려주고 빛을 쏘여줍니다.

포토마스크에는 빛이 통과하지 않을 부분에

마스킹 작업이 되어 있어서

나중에 감광층이 제거될 부분에만 빛이 닿게 해줍니다.

이 상태에서 특수한 용액에 담그면

빛이 닿은 감광층이 없어지게 됩니다.

그다음에 가스와 열을 이용해서 필요 없는 산화막을 제거해줍니다.

감광층으로부터 보호받는 산화막은 제거되지 않습니다.

 

그 다음 강광층을 제거해주면 모스펫을 만들 공간이 생겨납니다.

모스펫에는 전압이 가해지는 게이트와 그 아래에 절연층이 있는데요

먼저 절연층을 만들기 위해서 다시 얇은 산화막을 만들어 줍니다.

그리고 그 위에 게이트로 사용될 실리콘층을 만들어 줍니다.

그리고 필요 없는 부분을 없애줍니다.

 

이제 양옆에 N형 반도체를 만들어 주어야 하는데요

실리콘 웨이퍼는 제조 과정에서 이미 P형 반도체로 만들어졌기 때문에

이 공간을 N형 반도체로 만들어 주기 위해서는

실리콘보다 전자가 하나 더 많은 원소를 이온 형태로 주입해줍니다.

그렇게 되면 원자가 실리콘으로 파고 들어가서 N형 반도체가 만들어집니다.

 

다른 부분에도 이온이 들어가는데요

두꺼운 산화막은 어차피 제거할 부분이고

게이트는 전류가 흐를 수 없는 순수 실리콘이었는데

이온이 들어가면서 전류가 흐를 수 있는 N형 반도체가 됩니다.

 

게이트는 N형 반도체로 만드는 게 목적이 아니고

자유전자가 많은 도체 상태로 만들어서

전기를 통하게 만든다는 데 그 의미가 있습니다.

 

이렇게 되면 모습펫의 기본 형태가 만들어졌는데요

여기에 전류를 흐르게 하려면

N형 반도체와 게이트를 전선으로 연결해 줘야 합니다.

다시 산화막을 만들어 주고 전선이 들어갈 부분에 구멍을 냅니다.

그다음 구리도금을 해주고 불필요한 구리를 갈아내면

모스펫을 연결하는 전선이 만들어집니다.

 

 

지금까지 반도체 제조공정을 간단하게 알아봤는데요

반도체를 만드는 과정은 보통 8단계로 나누어서 설명합니다.

1- 웨이퍼 제조

2- 산화 공정

3- 포토 공정

4- 애칭 공정

5- 증착 및 이온주입

6- 금속 배선

7- 테스트

8- 패키지

이렇게 8단계로 나눠 볼 수 있는데요

 

-먼저 웨이퍼 제조는

반도체 기판으로 사용될 실리콘 웨이퍼를 만들어주는 단계입니다.

 

-산화공정은 좀 전에 살펴본 것처럼

이 웨이퍼 위에 산화막을 만들어 주는 단계입니다.

 

-포터공정은 감광층을 만들고

포토마스크를 이용해서 빛을 쏘여 준 다음에

용액에 담가 필요 없는 감광층을 제거해주는 공정입니다.

 

-애칭은 필요 없는 부분을 깎아내는 공정입니다.

 

-게이트를 만들기 위해서 두 가지 막을 다시 쌓아 주었는데

이 과정을 증착이라고 합니다.

애칭은 깎아서 없애는 것이고 증착은 다시 쌓아서 올리는 것입니다.

이온 주입은 N형반도체를 만들기 위해 전자가 하나 더 많은 원소를 주입하는 공정입니다.

 

-금속 배선은 모습에서 필요한 전선을 연결해주는 공정입니다.

좀 전에 설명하진 않았지만 보스펫과 모스펫을

서로 연결하는 배선도 그 위에 만들어 줘야 되는데요

이렇게 모스펫을 어떻게 연결하느냐에 따라서 논리구조가 달라지게 되고

반도체의 쓰임새도 달라지게 됩니다.

 

다음에는 반도체가 잘 만들어졌는지 테스트하고

마지막으로 만들어진 반도체 제품은

기판에 탑재해서 우리가 사용하는 많은 제품에 들어가게 됩니다.

 

 

그럼 각 단계별로 그 과정을 좀 더 자세하게 알아보도록 하겠습니다.

참고로 반도체는 각 공정마다 다양한 방법들이 존재합니다.

그 방법을 모두 소개하기는 힘들기 때문에

책에 있는 내용 중에 대표적인 방법 하나씩만 소개를 했습니다.

이 점을 감안해서 시청해 주시면 좋겠습니다.

 

 

*먼저 웨이퍼 제조입니다

모래를 1800도 정도의 고온으로 녹인 다음에

정제 과정을 거쳐 불순물을 제거합니다.

그리고 여기에 붕소를 넣어서 다시 가열해 줍니다.

붕소는 실리콘보다 전자가 하나 더 적은 원소로

이렇게 하면 P형 반도체를 만들 수 있습니다.

 

액체 상태인 실리콘에 시드라는 것을 찍어줍니다.

시드는 원자들이 잘 정렬된 고체 상태의 실리콘입니다.

 

아래는 고온의 실리콘인데 여기에 시드를 갖다 대면

표면의 온도가 순간적으로 내려갑니다.

그럼 액체 상태인 실리콘이 시드와 동일한 배열로 달라붙게 됩니다.

처음에는 쭉 잡아 뺐다가 나중에는 천천히 회전시키면서 빼줍니다.

그러면 동일한 크기로 실리콘이 성장하게 되고

녹아있는 실리콘의 양이 줄면서 끝이 점점 뾰족해집니다.

 

이렇게 만들어진 실리콘 덩어리를

다이아몬드 가루가 붙어있는 와이어로 잘라서

얇은 판으로 만들어 줍니다

 

잘린 면은 울퉁불퉁한데

물리적인 방식과 화학적인 방식을 이용해서

표면을 평탄하게 만들어 줍니다.

그리고 가장자리를 둥글게 해 줍습니다.

 

이렇게 만들어진 웨이퍼는

붕소가 들어간 하나의 커다란 P형반도체 뒷판이 됩니다.

 

 

 

웨이퍼는 직경 30cm짜리를 많이 사용합니다.

 

 

*다음으로 산화 공정입니다.

철이 산소를 만나면 녹이 스는 것처럼

어떤 물질이 산소와 결합하는 것을 산화라고 합니다.

 

실리콘이 산소와 만나서 산화가 되면 이산화규소가 만들어집니다.

이 이산화규소층을 산화막이라고 합니다.

이 층은 차단막 역할을 해주는데요

좀 전에 살펴본 것처럼 필요 없는 곳에

이온이 주입되는 것을 차단해줬는데

이런 의미에서 차단막 역할을 해주는 것입니다.

 

산화막을 만들어 주기 위해서 산화 장비로 웨이퍼를 옮겨 줍니다.

웨이퍼는 25장씩 케이스에 담겨서 천장이 있는 레일을 타고 이동합니다.

그리고 장비 앞부분에 있는 포트에 내려줍니다.

 

반도체 공정에 사용되는 장비 앞부분에는

케이스를 받아들이기 위한 포트가 있습니다.

 

100장 정도 되는 웨이퍼를 산화 장비 안으로 넣어줍니다.

 

내부에 산소를 넣어주고

주변에 감겨있는 코일에서 열을 내줍니다.

이렇게 약 1000도에 열을 가해주면

산소 원자가 웨이퍼 안으로 파고들면서

실리콘과 결합하고 이산화 규소가 만들어집니다.

 

 

*다음으로 포토 공정입니다.

포토 공정은 웨이퍼 위에 감광층을 코팅하고

그 위로 포토마스크에 그려진 밑그림을 빛으로 뿌려주는 공정입니다.

 

포토마스크에는 깎여질 부분과 남아있을 부분이

회로 형태로 그려져 있는데요

반도체는 층층이 구조물은 쌓아가는 방식입니다.

 

이렇게 반도체를 완성해 나가는 과정에서

각 층의 회로를 어떻게 구성할지 그 밑그림이 필요한데

포토마스크에는 이 밑그림이 그려져 있습니다.

 

이렇게 기록한 밑그림은 바로 확인할 수 없고

현상액에 담근 후에 확인할 수 있습니다.

그럼 실제 포토 공정이 어떻게 이루어지는지 살펴보겠습니다.

 

산화막이 만들어진 웨이퍼는 포토 현상 장비로 옮겨집니다.

포트공장을 진행하기 위해서 웨이퍼 표면에 감광액을 발라줘야 합니다.

노즐에 감광약을 뿌려주고

웨이퍼를 회전시켜 균일한 두께로 코팅을 해줍니다.

 

이 상태에서 열처리를 해주면 감광액이 굳게 됩니다.

그러면 산화막 위에 감광층이 생기게 됩니다.

감광층이 생겼으면 포토마스크에 그려진 밑그림을

빛으로 노출시켜줘야 하는데요

이렇게 빛으로 노출시켜주는 장비를 노광장비라고 합니다.

 

노광장비가 너무 복잡해 보이는데요

노광장비의 핵심을 간추려 보면 이런 그림과 같습니다.

극자외선 광원은 처음에 넓게 퍼져나가다가

렌즈에 반사되면서 그 크기가 점점 줄어듭니다.

그리고 위에 있는 포토마스크에 빛이 반사되면서

포토마스크에 그려진 밑그림을 웨이퍼에 옮겨주는 구조입니다.

앞에서는 웨이퍼 위에 포토마스크를 올려준다고 설명을 했는데요

이렇게 직접 닿으면 감광층이 포토마스크에 묻어서

포토마스크를 오염시킬 수도 있기 때문에

포토마스크와 웨이퍼를 떨어뜨려 노광시키는 투사 방식으로 점차 발전하게 되었습니다.

 

실제 노광장비에서는 해상도를 높이기 위해서 가끔 빛을 퍼트리기도 하지만

전체적으로는 빛을 점차 모아주는 형태입니다.

그리고 위쪽에 포토마스크가 있고

빛이 반사되면 웨이퍼의 밑그림이 그려집니다.

포토마스크에 16개의 밑그림이 있다면

한 번 노광할 때마다 16개의 밑그림 느껴지게 됩니다.

 

이렇게 노광을 마친 웨이퍼는

현상을 해줘야 그 밑그림의 형태가 보이게 되는데요

현상을 해주기 위해서 다시 포토 현상 장비로 웨이퍼를 옮겨주고

현상 용액에 담가줍니다.

 

빛에 노출된 감광층은 화학적 구조가 변해서 현상 용액에 씻겨나갑니다.

이렇게 되면 웨이퍼 위에 회로도 모양의 감광층만 남게 됩니다.

 

 

* 다음으로 애칭공정입니다.

애칭은 필요 없는 부분을 깎아내는 과정인데요

감광층은 산화막이 애칭되는 걸 막아주는 역할을 합니다

 

애칭에는 여러 가지 방법이 있지만 가장 대표적인 방법은

물리화학적 애칭입니다.

이것은 화학반응을 이용해서 물질을 제거해주면서

동시에 물리적인 힘으로 깎아내는 방법인데

화학적인 비율이 좀 더 큰 편입니다.

 

애칭을 위해서 웨이퍼를 애칭 장비로 옮겨줍니다.

그다음으로 애칭에 사용되는 애천드 가스를 넣어줍니다.

 

사용되는 가스는 물질에 따라 다른데요

산화막을 제거해주는 하나의 방법으로

사불화 탄소와 산소 가스를 플라즈마 형태로 넣어줍니다.

가스가 화학반응을 일으켜 산화막을 부식시키고

동시에 플라즈마의 양이온이 물리적으로 충돌하면서 산화막을 뜯어냅니다.

 

 

*다음으로 중창 및 이온주입 공정입니다.

애칭을 거치면서 모스펫이 만들어진 부분에 산화막이 제거됐는데요

게이트가 될 부분은 이산화 규소층과 실리콘층으로 쌓아줘야 합니다.

이렇게 층을 쌓아 주는 공정을 증착이라고 합니다.

 

이산화규소는 실리콘과 산소가 반응해서 만든 산화막인데요

이 산화막 또한 앞의 산화공정처럼

산소를 주입해서 열을 가해주는 방법으로 만들어 줍니다.

 

그 위에 실리콘층은 증착 방법으로 만들어주는데요

이를 위해 웨이퍼를 증착 장비로 옮겨줍니다.

그다음 SIH4라고 하는 실레인 가스를 넣어주고 플라즈마 에너지를 가해줍니다.

 

그렇게 되면 실레인 가스에서 수소는 날아가 버리고

실리콘 원자들이 산화막 위에서 반응하여 실리콘층이 형성됩니다.

 

이처럼 증착은 물질의 재료를 주입하고

플라즈마나 열에너지를 이용해서 화학반응을 일으켜서

새로운 물질을 만들어 쌓아주는 방식입니다.

 

그리고 다시 포토와 애칭 공정을 거치면서 게이트 부분만 남게 됩니다.

 

그다음 이온을 주입해서 N형반도체를 만들어 줘야 하는데요

이온을 주입하기 위해서 이온 주입 장비로 웨이퍼를 옮겨줍니다.

주입하려는 이온을 전기 에너지로 가속시켜 웨이퍼 안쪽으로 들어가게 해줍니다.

중간에 자석이 있어 이온의 경로를 휘어주면서

이온의 질량이나 전하량 등을 선별해줍니다.

 

표면에 산화막이 있어 이온이 주입되는 영역을 구분해 주게 됩니다.

 

주입된 이온들이 실리콘과 잘 결합할 수 있도록

빛을 이용해 열처리를 해줍니다.

이후에 산화막을 제거하면

게이트 아래에는 P형, 양옆에는 N형으로 만들어진

N모스펫이 만들어집니다.

 

 

*다음으로 금속 배선 공정입니다

모스펫이 작동하기 위해서는

각 단자들을 전선으로 연결해줘야 하는데요

이렇게 전선으로 서로 연결해 주는 단계가 금속 배선 공정입니다.

 

먼저 절연층으로 사용될 산화막을 증착 방식으로 만들어 줍니다.

다음으로 포토 애칭 공정을 통해서 금속이 들어갈 부분에 구멍을 뚫어줍니다.

그다음 구리를 도금해서 이 안을 구리로 채워주면 되는데

그 전에 먼저 확산 방지막이라는 걸 증착해 줘야 하는데요

확산 방지막은 구리가 도금될 때 실리콘으로 파고 들어가는 것을 막아주는 역할을 합니다.

그리고 그 위에 다시 얇은 구리층을 장착해 주는데

이렇게 해주면 나중에 구리가 잘 달라붙게 됩니다.

 

이렇게 얇은 구리층까지 쌓아 준 다음에

웨이퍼는 구리 도금 장비로 옮겨줍니다.

웨이퍼는 황산구리 용액에 들어있는 용기로 이동합니다.

 

웨이퍼의 마이너스극을 걸어주고

용액 안에 있는 구리 덩어리에 플러스극을 연결해서

전압을 걸어줍니다.

그렇게 되면 구리가 전자를 잃고 구리 이온이 되어서

황산구리 용액으로 나오게 됩니다.

 

이 구리 이온은

웨이퍼 표면에서 전자를 얻고 구리 원자가 되어서 표면에 달라붙습니다.

 

구리가 도금되면 평탄화 공정을 거쳐서

필요 없는 부분을 제거해 줘야 되는데요

웨이퍼를 평탄화 장비 위에 올린 다음에 회전시켜서

필요 없는 부분을 갈아냅니다.

 

이렇게 반도체 소자의 배선이 완료되면

보스펫과 모스펫들이 전선으로 연결해 줘야 합니다.

이 과정도 이전 개선 공정과 같습니다.

 

이렇게 배선을 연결해주면 모스펫끼리 서로 연결되면서

논리회로를 만들 수 있습니다.

 

영어로 로직게이트라고 하는 논리회로는

트랜지스터를 어떻게 연결하는지에 따라 그 쓰임새가 다릅니다.

 

NOT 게이트는

입력과 출력값이 서로 반대가 되는 논리회로입니다.

입력이 참이면 출력은 거짓이고

입력이 거짓이면 출력은 참이 되는 회로입니다.

참은 높은 전압, 즉 플러스 전압이 나온다는 것이고

거짓은 낮은 전압, 즉 마이너스 전압이 나온다는 뜻입니다.

 

NOT 게이트를 회로도로 보면 이런 모습입니다.

왼쪽은 P모스펫이고 오른쪽은 N모스펫입니다.

 

이 회로들을 실제 모스펫으로 연결해 보겠습니다.

왼쪽에 P형 모스펫은 전공에 의해서 전류가 흐르기 때문에

PPP 형태가 만들어져야 하고

오른쪽의 N모스펫은 NNN 형태가 되어야 전류가 흐를 수 있습니다.

 

P형 모스펫 아래에 보면 N형반도체가 있는 걸 볼 수 있는데요

실리콘 웨이퍼에 미리 이온을 주입해서 N형반도체로 만들어 주었기 때문입니다.

 

원래 배선이 완성된 모습은 이런 형태이지만

설명의 편의를 위해서 단순화 해봤습니다.

 

맨 왼쪽에 VDD라는 곳은 항상 플러스 전압이 공급되는 부분이고

오른쪽에 그라운드는 항상 마이너스 전압이 공급되고 있습니다.

위에 입력에서는 양쪽 게이트의 +전압 또는 –전압이 공급됩니다.

그리고 출력 부분에서 1과 0, 즉 +전압 또는 –전압이 출력으로 나오게 됩니다.

 

먼저 입력에 +전압이 가해졌다고 해보겠습니다.

왼쪽 P모스펫은 +전압이 걸렸기 때문에 전자들이 위로 올라옵니다.

그 결과 PNP 형태가 되고 전류가 흐르지 않게 됩니다.

 

오른쪽 N모스펫도 전자들이 위로 올라오면서 길을 만들어 줍니다.

NNN 형태가 되었기 때문에 전류가 흐릅니다.

 

P모스펫은 흐르지 않기 때문에

VDD에 걸린 +전압은 출력으로 전달되지 않습니다.

오른쪽 N모스펫은 전류가 흐르기 때문에

그라운드에 걸린 –전압이 출력 쪽으로 전달됩니다.

 

입력에는 +전압이 가해졌는데

출력에는 -전압이 전달되는 결과가 나왔습니다.

 

입력에 -전압을 가하면 어떻게 될까요?

P모스펫은 전공들이 이끌려오고 길을 만들어 줍니다

그 결과 PPP 형태가 되고 전기가 통하게 됩니다.

N모스펫도 전공들이 끌려오는데 NPN 형태가 되어서 전기가 통하지 않습니다.

 

그럼 VDD에 걸리는 플러스 전압이 출력 쪽으로 전달됩니다.

입력은 -이고 출력은 +가 되어서 입출력값이 바뀌게 됩니다.

 

이 NOT 게이트의 배선을 연결하면 이런 모습입니다.

이쪽이 VDD이고 여기가 입력 아래가 출력이고

오른쪽 배선이 그라운드가 됩니다.

 

이건 논리회로를 아주 간단하게 설명한 내용이고

실제 반도체 내부는 알아보기 어려울 만큼 복잡합니다.

 

논리회로를 어떻게 만드는지에 따라서 반도체는 그 용도가 달라집니다.

 

완성된 웨이퍼는 이상이 없는지 검사를 하고

칩단위로 하나씩 자른 다음에 부품에 사용됩니다.