반도체 제조 공정과 특수가스의 역할

1. 반도체 제조 공정과 특수가스의 역할

일반적으로 특수가스라 함은 산소, 질소, 아르곤, 탄산, 수소 등 보통의 산업용 가스와 달리 특수한 목적으로 사용되는 가스를 의미하는데 반도체용 가스, 표준가스, 희귀 가스, 고순도 및 초고순도 가스, 혼합가스 등이 특수가스의 범주에 포함된다.

이러한 특수가스는 혼합비율에 따라 거의 무한대에 가까운 종을 만들어낼 수 있는 혼합가스를 제외시킨다 해도 어느 정도 표준화되어 있는 제품만 3백 여종에 이르고 있다. 그러나 수많은 특수가스 중에서 우리나라는 물론 전 세계 산업용 가스 업계로부터 가장 뜨거운 관심을 받고 있는 가스는 역시 반도체용 특수가스이다.

가격 측면에선 단연 정상을 차지하고 있지만 수요와 공급에 한계가 있는 제논, 크립톤, 헬륨 등 희귀 가스들과 달리 대부분의 반도체용 특수가스들은 고가인 데다 수요도 많으며 공업적으로 대량생산이 가능하기 때문이다.

특히 반도체, TFT-LCD 등 전자특수가스 시장은 해당 산업의 무한한 성장성에 힘입어 매년 괄목할 만한 시장 확대를 나태내고 있기도 하다. 90년대 중반까지만 해도 거의 수입에 의존해 왔던 국내 특수 가스 업계가 90년대 말 이후 자체 제조, 정제 능력 확충에 힘을 쏟고 있는 것이나 산업용 가스와는 직접적 연과 관계가 없었던 백신소재, 아토 등의 업체들이 속속 신규 진입하고 있는 것도 특수가스시장의 탁월한 성장성에 기인한 결과이다. 하지만 이같이 높은 관심에도 불구하고 종류의 다양성과 반도체 공정의 복잡성으로 인해 각각의 반도체용 특수가스들이 실제로 어떠한 공정에서 어떻게 쓰이고 있는지 정확히 이해하기란 결코 쉽지 않다.

많은 업계 종사자들이 분위기용, 에칭용, CVD용 등으로 반도체용 특수가스를 분류하고 있지만 이 공정들이 반도체 제조에 어떠한 역할을 하는지는 잘 설명하지 못하는 것도 이러한 이유 때문이다.

2. 반도체 제조 공정별 특수가스

(1) 다결정 실리콘 제조

반도체 제조공정은 D랩, SD램, 플래시 메모리, 실리콘 반도체 등 반도체의 종류에 따라 상당한 차이가 있지만 가장 첫 단계는 반도체의 기본재료인 웨이퍼를 만들기 위한 단결정 성장 공정이다.

이 공정은 고순도로 정제된 실리콘 용융액에 씨앗의 역할을 하는 결정을 넣어 회전시키는 공정으로 이렇게 하면 조개에 작은 핵을 넣어 진주가 되듯 작은 결정을 중심으로 실리콘 용융액이 뭉쳐지면서 웨이퍼의 기본이 되는 고체형 단결정 규소 봉이 만들어진다. 이와 관련 실리콘 반도체의 경우 단결정 규붕소 대신 '단결정 실리콘'이 사용되는데 단결정 실리콘의 전 단계인 다결정 실리콘의 제조에 고순도 수소, 고순도 모노실란 또는 삼염화실란이 사용된다.

(2) 에피텍시(epitaxy)

에피텍시 공정은 단결정 실리콘 위에 각종 반도체 관련 재료들을 올려놓기 위해 일종의 얇은 필름으로 실리콘의 표면을 덮는 코팅공정이다.

각 재료들이 특정 위치에 정확히 위치할 수 있도록 기초공사를 하는 것으로 이해하면 된다. 특수가스를 활용해 화학적으로 코팅물질을 증착시 칸다 하여 대개 CVD(Chemical Vapor Deposition) 공정으로 불린다. 구체적으로 에피텍시 공정은 낮은 압력에서 특수가와의 화학반응을 통해 증착시키는 LPCVD( Low Pressure CVD), 일반 대기압에서 증착시키는 APCVD(Atmospheric Pressure CVD), 고압에서 증착시키는 HPCVD(High Pressure CVD), 강력한 전압으로 플라스마를 발생시켜 증착시키는 PECVD(Plasma Enhanced CVD), 갈륨, 인, 알루미늄 등 금속 유기물을 증착시키는 MOCVD(금속유기화학기상 증착) 등으로 구분된다. 이 공정에는 고순도 SiH4, SiH2Cl2, SiHCl3, SiCl4, GeH4, B2H6, BBr3, BCl3, AsH3, PH3, TeH2, SnCl4, WF6, NH3, CH4, Cl2, MoF6등의 특수가스가 사용되며 운반 기체로서 고순도 수소와 질소가 사용된다.

(3) 에칭 (etching)

에칭공정은 식각 공정이라고도 하는데 명칭에서도 알 수 있듯이 웨이퍼에 불필요한 부분을 화학물질이나 특수가스를 사용해 제거해내는 공정을 의미한다. 과거에는 화학 수용액을 사용했었지만 반도체의 정밀도는 낮춘다는 이유로 지금은 가스를 통한 건식 에칭이 일반적이다. 건식 에칭은 다시 기상 에칭, 플라스마 에칭, 이온빔 에칭 등으로 나뉘는데 기상 에칭의 경우 HCl, HF, HBr, SF6, Cl2 등의 기체 가스를 사용하지만 기존의 습식 에칭과 별다른 차이가 없기 때문에 건칙에칭에 포함시키지 않는 경우도 있다.

프라즈마 에칭은 특수가스를 감압시켜 방전함으로서 일반 대기압에서 얻을 수 없는 강한 반응성의 물질을 생성, 에칭을 하는 방법으로 SiF4, CF4, C3 F8, C2f^, CHF3, CCIF3 O2 등이 사용된다.

마지막으로 이온빔 에칭은 가스의 이온을 가속시켜 이를 웨이퍼 기판 표면에 부딪치게 함으로써 식각을 이뤄내는 방식으로 C3F8, CHF3, CCIF3, CF4 등의 특수가스가 활용된다.

(4) 클리닝(cleaning)

클리닝은 웨이퍼 등을 화공약품 및 순수한 물로서 깨끗이 닦아내는 공정으로 일정 부분에서는 에칭공정과도 유사한 개념이라고 할 수 있다.

클리닝 공정에는 NF3, CF4, C2F6, C3F8, SF6 등이 사용된다.

(5) 이온주입 (ion implantation)

이온주입공정은 반도체 소자의 전기적 특성을 의도한 수준으로 조절하기 위해 반도체 웨이퍼의 특정 부분에만 수 keV ~ 수백 keV까지 고전압으로 가속시킨 이온을 주입하는 공정이다.

이렇게 이온을 물리적으로 주입함으로써 전기저항 등과 같은 웨이퍼의 물리적 특성을 통제할 수 있다.

이온주입장치에 사용되는 특수가스로는 AsH3, PH3, PF5, BF3, AsF5, BCl3, Sif4, SF6 등이 있다.

(6) 도핑 (doping)

도핑 공정은 반도체 웨이퍼에 붕소, 알루미늄, 인, 비소 등의 불순물을 주입하는 것을 말한다.

이 같은 도핑 공정을 통해 웨이퍼의 전도 특성을 향상할 수 있으며 주입되는 불순물에 따라 P형 반도체와 N형 반도체가 만들어진다.

이러한 도핑 공정에는 AsH3, H2S, Geh3, SeH2, SbH3, AsCl3, AsF3, PH3, PCl3, B2H6 BF3등의 특수가스가 쓰인다.

(7) 어닐링 (annealing)

어닐링은 쉽게 말해 에칭공정, 이온주입공정 등 각종 공정에서 반도체 웨이퍼가 받았던 물리적, 화학적 스트레스를 열처리를 통해 풀어주는 공정이다. 적절한 온도로 웨이퍼를 가열한 후 충분한 시간 동안 서서히 냉각시킴으로써 최초 웨이퍼가 지녔던 가장 안정된 상태로 물성을 되돌리게 된다. 이 과정에 질소와 수소의 혼합가스를 사용한다.

(8) 패시베이션 (passivation)

패시베이션 공정은 반도체 칩의 표면에 보호막을 코팅하는 작업으로 반도체 제조 공정의 최후 반부에 진행된다.

SiO2가 보호막의 역할을 수행하며 O2, SiH4, PH3 등이 공정용 가스로 사용된다.

(9) 블랜켓팅 (blanketing)

블랜켓팅은 담요라는 의미의 blanket에서 유래한 것으로 완성된 반도체를 포장하기 직전에 오염물질로부터 반도체를 보호하기 위한 공정이다. 보호용 가스로 불활성 가스인 아르곤, 헬륨, 질소 등을 주입한다.