반도체 제조 공정 단계별 정리 (웨이퍼 제조, 프론트엔드, 백엔드 공정)

반도체 제품 생산을 위한 공정

이전 글에서 반도체 [8대 공정]에 대해서 정리하였다. [8대 공정]은 반도체 제조를 위한 필수 기술들의 리스트이다. 반도체 제조를 위한 실제 공정은 이러한 [8대 공정]들을 조합하여 만들어진다. 반도체 공정을 기술이 아닌, 단계별로 간단하게 정리하자면 다음과 같이 3단계로 나눌 수 있다[1,2,3,4].

 

1. 웨이퍼 제조 공정 (Wafer manufacturing)
2. 프론트엔드 공정 (Front-end Process) : 반도체 디바이스(소자) 제조 공정 (FEOL, BEOL로 구성됨)
3. 백엔드 공정 (Back-end Process) : 패키징 및 테스트 공정

Fig 1. 간략화된 3단계 반도체 제조 공정  [3]

 

Fig 1. 위 3 단계 제조공정을 그림으로 잘 표현한다. 반도체 제조 회사들은 Fig 1.과 같은 3 단계 제조 공정을 거쳐 모래(실리콘)[5]에서부터 CPU, GPU, 메모리 등의 복잡한 디바이스를 생산한다. 

 

 

 

웨이퍼 제조 공정 Wafer Manufacturing Process

[웨이퍼 제조 공정]은 반도체 소자 및 회로를 형성하기 위한 기판이 되는 웨이퍼를 제조하는 단계이다. 반도체 [8대 공정] 중 첫 번째인 [웨이퍼 제조] 공정에 해당하는 공정 단계이다.

 

Fig 2. 웨이퍼 제조 공정 [6]

 

웨이퍼는 실리콘[5]으로 부터 만들어진다. 모래로 부터 웨이퍼의 원료가 되는 실리콘을 추출한다. 추출된 실리콘을 녹여서 둥근 기둥 형태의 잉곳(Ingot)을 제작한다. 잉곳은 초크랄스키법 등의 방법으로 형성하는데, 단결정 실리콘 시드 막대기를 녹은 실리콘에 넣고 회전시켜 만든다. (그렇기에 형태가 둥근 기둥이 됨) 이렇게 생성된 잉곳을 얇은 두께로 절단한다. 이렇게 절단된 한장 한장이 웨이퍼가 된다. 마지막으로 절단된 웨이퍼 표면을 매끄럽게 연마하면 웨이퍼가 완성된다.

 

 

 

프론트엔드 공정 (Front-end Process, 전공정)

[프론트엔드 공정] 혹은 [전공정]은 웨이퍼 위에 반도체 디바이스(소자) 및 회로를 형성하는 단계이다. 우리가 일반적으로 생각하는 반도체 제조 공정에 해당한다. 프론트엔드 공정은 [8대 공정] 중 [2. 산화 공정] [3. 포토 공정] [4. 식각 공정] [5. 증착 & 이온 주입 공정] [6. 금속배선 공정] 을 이용하여 진행된다.

 

 

프론트엔드 공정은 Fig 1.과 같이 크게 두 가지 단계로 나눠진다.

1. Front-end of Line (FEOL)
2. Back-end of Lien (BEOL)

 

FEOL과 BEOL에서도 Front-end와 Back-end 단어가 나와 헷깔릴 수 있는데, (반도체 소자를 형성하는) 프론트엔드 공정과 (패키징과 테스트를 담당하는) 백엔드 공정과 분명히 다른 것을 나타내는 단어이다. FEOL과 BEOL은 프론트엔드 공정의 하위 단계이다.

 

Fig 3. FEOL과 BEOL로 형성되는 부분 [7]

 

FEOL은 Transistor (트랜지스터), Capacitor (캐패시터) 등과 같은 핵심적인 반도체 소자를 웨이퍼 위에 형성하는 단계이다. 

BEOL은 소자와 소자 간, 혹은 소자와 외부 접점과의 금속 배선 (Metal, Via) 을 형성하는 단계이다. 

두 과정을 통해 웨이퍼 위에 형성된 반도체 회로는 작동하는 회로가 된다.

 

 

 

백엔드 공정 (Back-end Process, 후공정)

[백엔드 공정] 혹은 [후공정]은 프론트엔드 공정에서 생산된 반도체 소자 및 회로를 테스트하고 패키징하는 단계이다. [8대 공정] 중 [7. EDS 공정] [8. 패키징 공정]에 해당하는 단계이다. 전공정을 통해 회로가 형성된 웨이퍼는 후공정에서 잘 만들어졌는 지 테스트된다. 이후 웨이퍼를 개별 칩으로 만드는 패키지 단계를 진행하여, 최종 반도체 제품을 완성한다. 최근 반도체 집적화가 높아지고, 3D 반도체, Chiplet CPU, HBM 등 새로운 형태의 반도체 제품이 등장함에 따라 백엔드 공정이 더욱 중요해지고 있다고 한다.

 

Fig 4. 후공정: 테스트 및 패키지 [8]

 

웨이퍼에 형성된 반도체 회로는 항상 정상 작동하지는 않는다. 따라서 웨이퍼 위에 형성된 반도체 회로가 정상 작동하는 지 테스트 하는 EDS 공정을 진행한다. EDS 공정에서는 프로브 카드를 웨이퍼에 접착시키고 전기를 흘려보낸다. 그 신호를 분석하여 각 칩이 정상 작동하는 지를 판단한다. 이후 불량 칩을 선별하고, 혹은 수선할 수 있는 불량 칩은 수선을 시도한다.

 

패키징 공정에서는 웨이퍼를 개별 칩으로 자르고 (Die Sawaing & Grinding), 자른 개별 칩(Die)을 리드 프레임에 붙이고 (Die Attach), 외부와 연결되는 Interconnection을 붙인다. 이를 통해 최종적으로 작동하는 반도체 제품이 완성된다.

 

 

 

Reference

[1] https://www.hitachi-hightech.com/global/en/knowledge/semiconductor/room/manufacturing/process.html

[2] https://namu.wiki/w/%EB%B0%98%EB%8F%84%EC%B2%B4%20%EA%B3%B5%EC%A0%95#toc

[3] https://news.skhynix.com/semiconductor-front-end-process-episode-2/

[4] https://amkorinstory.com/1049

[5] https://news.skhynix.co.kr/post/silicone-from-sand

[6] https://news.lxsemicon.com/5092

[7] https://www.researchgate.net/figure/Typical-split-manufacturing-arrangement-assuming-split-made-between-Metal-2-and-Metal_fig1_321608666

[8] https://news.skhynix.co.kr/post/seominsuk-column-test