반도체 (Semiconductor)
일반적으로 전기적으로 도체와 부도체 사이의 성질을 띠고 있는 물질이라고 하나, 정확한 정의를 위해서는 에너지 띠(Energy Band) 와 금지 대역 또는 띠틈(Forbidden Zone/Band Gap)등 양자 역학적 개념이 필요하다. 대표적으로 탄소-규소-저마늄[1]으로 이어지는 14족의 물질들이 이에 해당하며, GaAs와 같이 13-15족 등 14족을 가운데로 하는 두 물질의 화합물도 이 성질을 갖는 경우가 있다.
- 나무 위키
오늘부터 반도체 1일 하려 했는데 벌써 알고 싶지가 않아짐 ㅎㅎㅎㅎ
좀 더 쉽게 설명된 자료를 찾아보았다.
** 도움이 많이 많이 된 자료 출처🙏:
https://www.skcareersjournal.com/194
https://www.samsungsemiconstory.com/1
https://post.naver.com/viewer/postView.nhn?volumeNo=17392900&memberNo=10728965
반도체가 뭘까?
- 철에는 전기가 통한다(도체). 플라스틱에는 전기가 통하지 않는다(부도체)
- 반도체는 도체와 부도체의 성격을 모두 가지고 있어 어떨 땐 전기가 통하고 어떨 때는 통하지 않음
- 순수 반도체는 전기가 거의 통하지 않지만, 어떤 인공적인 조작을 가하면 도체처럼 전기가 흐르기도 함
- 즉, 빛이나 열을 가하거나 특정 불순물을 주입하게 되면 반도체에 도체처럼 전기가 흐르게 됨.
왜 전기가 반만 흘러야 하냐
-> 일반적인 도체는 전기는 잘 통하지만 사람이 전기의 흐름을 조절하기 어려움.
반면 반도체는 인공적인 조작에 따라 물질의 성질을 조절하기 쉬움.
반도체의 원리
일반적으로 반도체에 쓰이는 원소는 다음의 두 가지임.
1. 주기율표 4족에 있는 원소(Elemental) 반도체
- 실리콘(Si) 혹은 게르마늄(Ge) 등 한 가지 원소로 구성된 반도체
- 실리콘은 집적회로 IC(Integrated Circuits)에 가장 많이 사용되는 반도체로, 모래에서 얻음
- 실리콘 반도체의 경우 반도체 물질에 불순물을 주입하여 전기전도도를 조절함
2. 주기율표 3족, 5족 원소의 결합으로 이루어지는 화합물(Compound) 반도체
TMI) 4족.. 3족 원소는 무슨 뜻?
물질을 구성하는 입자인 원자(atom)는 양성자(proton), 중성자(neutron), 전자(electron)로 구성된다.
- 양성자 & 중성자 : 원자핵을 구성함
- 전자 : 원자핵 주변을 일정한 궤도로 돌아다님. 이때 가장 바깥쪽 궤도를 도는 전자를 최외각 전자라고 함
이때 최외각전자는 항상 8개를 채우려는 성질이 있는데, 이것이 원자와 원자를 결합시키는 원동력이 되어 분자(molcule)이 되고, 분자들이 모이면 물질이 된다! (헤에...)
최외각 전자의 개수는
- 원자핵의 양성자 개수와 일치하고 1개~8개까지 존재할 수 있다.
- 최외각 전자 개수가 같은 원자들끼리는 유사한 성질을 가진다.
원자들을 최외각 전자의 개수에 따라 분류해 놓은 표가 바로 주기율표이고, 4족 원소는 최외각 전자가 4개인 원소들을 의미한다.
반도체가 만들어지는 실리콘 단결정
- 단결정: 시료의 어느 부분을 보아도 결정(Crystal) 축의 방향이 같은 것
- 다결정: 많은 단결정들이 여러 방향으로 모여 있는 것
실리콘 단결정에 불순물을 주입하면 외인성 반도체가 만들어진다
- 실리콘 단결정은 실리콘 원자가 규칙적으로 늘어서 있는 상태를 의미
- 한 개의 실리콘 원자는 최외각에 4개의 전자를 가지기 때문에 이웃하는 원자끼리 굳게 결합해 결정을 이룸
- 이런 순수한 실리콘에서는 최외각전자가 8개가 채워진 상태로, 원자핵에 결합되어 있는 전자가 움직일 수 없음
- 따라서 실리콘 외부에서 전압을 걸어도 전류가 흐르지 않음 (이를 진성(Intrinsic) 반도체라고 부름)
- 이러한 진성반도체는 부도체와 다를 바 없는 상태지만, 특정 불순물을 주입해주면 전류가 흐르게 됨.
- 인(P), 붕소(B) 등의 물질은 실리콘 웨이퍼가 전자회로의 기능을 같게 해 줌
- 불순물에 있는 전자나 정공이 전류가 흐르는 매개체 역할을 하여 원하는 방법으로 성질을 변화시키는 것
- 이렇게 불순물로 자신의 전기전도도를 조절하는 반도체를 외인성(Extinsic) 반도체(=불순물 반도체)라고 부름
WHY?
: 8개의 전자가 모여 평화로웠던 세상에 3개 혹은 5개의 전자를 가지는 불순물을 넣어 전자가 움직일 수 있는 길을 열어주는 것
- p-type 실리콘: 3족 원소를 소량 넣어주게 되면 전자가 비려있는 상태, 즉 정공(Hole)이 생김. 이 상태에서 전압을 걸어주면 전류가 흐름
- n-type 실리콘: 5족 원소를 소량 넣어주면 원자가 남는 상태, 즉 잉여 전자가 생김. 이때 전압을 걸면 잉여 전자가 자유전자가 되어 전류가 흐름
반도체가 만들어지는 과정
반도체를 만드는 8대 공정이라는 것이 있다고 한다
1. 웨이퍼 공정
- 모래에서 추출한 실리콘을 고온의 열로 녹여 고순도의 실리콘 용액을 만들고 굳히며 잉곳을 만듦
- 얇은 웨이퍼를 만들기 위해 다이아몬드 톱을 이용해 잉곳을 균일한 두께로 절단함
- 거친 표면을 매끄럽게 갈아내고 표면을 평평하게 만드는 화학적 기계적 연마 공정(CMP)을 거침
- 마지막으로 세척과 검사를 통해 웨이퍼를 확인함
(참고) 잉곳: 고온에서 녹인 실리콘으로 만든 실리콘 기둥
이 단계까지 만들어진 웨이퍼는 전기가 통하지 않는 부도체 상태임!
2. 산화 공정
- 이어지는 공정에서 생길 수 있는 오염물질/ 산화물질 등으로부터 웨이퍼를 보호하는 산화막을 씌움
- 건식 산화: 산소만 이용, 산화막 성장 속도가 느리기 때문에 얇은 막을 만들 때 사용
- 습식 산화: 산소+수증기 이용, 산화막 성장 속도가 빠르고 두꺼운 막을 형성함
3. 포토 공정
- 웨이퍼 위에 반도체 회로를 그려 넣는 공정으로, 감광액 도포 - 노광 - 세부공정 단계로 진행
- 필름을 인화지에 새기는 방법과 같은 원리로, 필름 역할을 하는 마스크(Mask)를 인화지 역할을 하는 웨이퍼에 얹어 현상하는 과정이라고 이해하면 쉬움
- 여기서 노광이란, 빛을 선택적으로 조사하는 과정을 말함
- 웨이퍼 위에 마스크를 놓고 빛을 쪼이면 회로 패턴을 통과한 빛으로 인해 웨이퍼에 패턴이 옮겨짐
- 이 웨이퍼에 현상액을 뿌리면 감광액이 빛을 받은 부분이 제거된 부분과 빛을 받은 부분으로 나뉘며 전자회로 패턴이 새겨지는 것
4. 식각 공정
- 포토공정에서 형성된 감광액 부분을 남겨두고 나머지 부분을 제거해 회로를 형성하는 과정
- 건식 식각: 가스 이용. 정확성이 좋아 작은 패터닝 가능. 단 고비용, 과정이 어렵고 한 장씩 공정을 해야 함
- 습식 식각: 화학액 이용. 저비용, 그러나 정확도가 떨어짐
최근에는 건식 식각이 확대되고 있는 추세라고 함.
5. 박막 공정
웨이퍼에 불순물을 확산하고 박막을 형성해 웨이퍼가 반도체의 성질을 가질 수 있도록 하는 단계 (드디어!!)
- 증착: 웨이퍼 위에 분자 혹은 원자 단위의 물질을 입혀 전기적 특성을 가지게 하는 공정
- 화학적 기상 증착(CVD, Chemical Vapor Deposition)과 물리적 기상 증착(PVD) 방법이 있음
- 반도체에서는 CVD를 주로 사용
- CVD에서는 금속막을 씌우면 전기가 잘 흘러 소통을 원활하게 하고 절연막을 씌우면 회로와 회로를 분리해주는 역할을 하게 됨. 여기에 웨이퍼 내부에 이온 불순물을 집어넣는 확산 공정을 통해 부도체였던 웨이퍼를 위에서 배운 외인성 반도체로 만드는 것.
- 박막: 기계 가공으로는 실현 불가능한 두께인 1 마이크로미터 이하의 얇은 막으로, 회로를 구분하고 보호해줌
- 반도체 칩은 여러 개의 회로를 쌓아 만드는데, 각 층의 회로를 구분하고 보호하기 위해 박막을 씌워줌
6. 금속 배선 공정
- 전기가 잘 통하는 금속을 골라 신호가 전달되는 금속선을 연결해줌
- 외부에서 얻어지는 전기적 에너지를 받아 소자들끼리 신호가 섞이지 않고 전달되도록 선을 연결함
7. EDS
- 전기적 특성 검사를 통해 각각의 칩들이 원하는 품질 수준에 도달하는지 테스트하는 과정
- 총 다섯 단계로 진행됨
8. 패키징
- 제품이 출하되기 전 거치는 마지막 테스트로 다섯 단계로 진행됨
넘나 브릴리언트 한 것... 👏👏👏 이해하기도 힘든데 이거 만드는 사람들은 정말 똑띠들이당
아무튼 복잡하고 어려워 보이는 각각의 공정에 특화된 회사들이 있고(Applied, SEMES 등) 우리가 익히 들어 아는 삼전, 하이닉스, TSMC 등은 그런 장비들을 사서 원하는 모양, 집적회로를 만들어내는 것이라고 들었다.
반도체 종류까지 공부하려 했는데 힘들어서 내일로 미뤄야겠다.
#셀프스터디중
#틀린 부분 있으면 댓글 피드백 부탁드립니다🙏
