반도체 도메인에서 데이터 기반 품질관리 직무란? Ⅰ

[내일배움캠프] QA/QC_6기 - 6일차 

• TIL
  • 반도체 기업에서 품질관리 직무란?
  • 반도체 전공정
• To-Do List
  1. 반도체 도메인 스터디
  2. 오픽 공부

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반도체 도메인 스터디

품질관리 엔지니어 직무 정의

• 기업마다 다른 채용 직무명 → JD 분석의 난이도를 높이는 가장 큰 원인이라고 생각
  • 삼성전자 DS, 평가 및 분석 : 제품·공정 평가, 불량 분석, Data Science 기반 품질관리 기법 활용 등
  • SK하이닉스, 프로덕트 엔지니어 : 8대 공정 기반으로 생산성·품질·수율 향상
  • 반도체 도메인에서 데이터 사이언스를 기반으로 품질관리 직무를 수행하는 대표적인 기업으로 이외에도 다양한 기업이 존재한다.

반도체란?

• 반도체(Semiconductor)라는 단어에서 알 수 있듯, 도체와 부도체 사이의 중간 성질을 가지는 물질이다.
• 대표적인 반도체 소재로 실리콘(Si)이 있으며, 의도적으로 불순물을 주입하는 도핑(dopping)을 통해 전기적 특성을 제어한다.
  • n-형 반도체 : 자유 전자(-)를 운반자(carrier)로 사용하여 전류를 흐르게 하는 반도체
  • p-형 반도체 : 14족 원소인 실리콘 결정에 3족 원소를 불순물로 도핑하여 원자가 결합을 하나 부족하게 만들어 전자 하나가 부족해 양극(+) 성징을 가지는 빈 공간(양공)을 생성한다. 이때 주변 전자가 이 공간을 채우기 위해 이동하면 그 공간이 비게되고, 이는 양공이 이동한것과 같아 마치 양전하가 움직이는 것과 같은 효과를 나타낸다.
  • p-n 접합 : p-형 반도체와 n-형 반도체를 물리적으로 맞붙이 구조로, 이 접합면에서 발생하는 전류의 일방향성(정류 작용)이 일어난다. 이는 다이오드, 트랜지스터 등의 현대 전자 소자가 작동하는 기반 기술로 활용되고 있다.

컴퓨터와 트랜지스터의 탄생

[반도체 전공정 1편] 컴퓨터, 트랜지스터의 탄생과 반도체 (1/6) | SK hynix Newsroom

• 컴퓨터
  • 매우 복잡한 숫자의 계산 등을 사람의 힘으로 수행하면 실수가 빈번히 일어났고, 이런 작업에서 정확도를 높히기 위해 사람들은 기계의 힘을 빌리자고 생각하였다.
  • 기존의 동력기관으로 컴퓨터를 제작하려고 하면 에너지와 공간의 낭비, 느린 처리 속도 문제가 극심하다.
  • 전기의 발명 이후 컴퓨터를 전기로 제어하려고 하였고, 애니악(ENIAC)이라는 기계가 탄생한다. 
• 트랜지스터 : 전류를 증폭 또는 스위칭하는 소자, 즉 전류의 크기를 조절하는 장치
  • BJT (Bipolar Junction Transistor, 양극성 집합 트랜지스터) : 반도체 내부에서 npn 접합된 트랜지스터
    최초의 트랜지스터가 발명되고 그 해에 발명된 트랜지스터, 이를 시작으로 반도체가 널리 알려졌다.
  • MOSFET : 실리콘 원판 위 두 종류의 반도체 층을 형성한 뒤, 그 위에 금속을 얹어 평평한 모양의 트랜지스터를 개발
    → 모스펫의 진정한 가치는 납작한 모습으로 여러 개를 실리콘 웨이퍼 위에서 동시에 만들 수 있어 엄청난 생산성이다. 
• BJT를 여러 개 이어붙여 CPU를 제조하려면 무수한 납뗌 과정이 필요 → 이에 반해 모스펫은 한 번에 여러개를 생산
• 즉, 반도체 공정이란 모스펫을 싸게 만드는 것

반도체 공정 개괄과 산화

[반도체 전공정 2편] 반도체 공정 개괄과 산화 (2/6) | SK hynix Newsroom

• 전자기기의 제조 : 소자 제조 → 소자 연결의 순서로 만들어진다.
• 전공정
  • FEOL (Front End Of the Line) → MOSFET 형성
    : 실리콘 웨이퍼 위에 각종 처리를 통해 필요한 개수의 소자를 새기는 것
  • BEOL (Back End Of the Line) → 금속 배선
    : FEOL에서 사용한 것과 유사한 기술을 통해 매우 미세한 배선을 만들어 수십억 개의 단위 소자들을 서로 연결하는 것
• 반도체 공정에서 사용되는 산화, 포토, 식각 등의 공정은 전부 FEOL과 BEOL 과정에서 사용되는 기술일 뿐이다.
• 각 단계의 목적에 따라 특정 장비를 사용하는 빈도와 횟수가 달라질 뿐이고, 미세 패터닝이라는 기본 목적은 똑같다.
• 반도체 8대 공정 : 웨이퍼 제조 → 산화 → 포토 → 식각 → 증착 → 금속 배선 → 테스트 → 패키징
• 기본적으로 반도체 제조 공정은 Bottom-Up 방법의 공정

산화 = 유리막 씌우기

• 산화 과정이 필요한 이유
  • Bottom-Up 방법으로 반도체를 쌓아 올리면 그 과정에서 반도체 내부에 균일한 미세 패터닝을 위해서 필요없는 부분은 깎고, 필요한 물질은 씌우는 등의 다양한 작업이 필요하다.
  • 이때 반응성이 높은 다양한 화학 물질이 사용되기 때문에 원치 않는 곳에 화학 물질이 도달할 경우 불량이 발생할 수 있다.
  • 또한 반도체 내부에서 서로 직접 맞닿으면 안되는 부분이 닿게되면 합선(쇼트)가 발생하게 된다.
  • 이러한 것들을 방지하기 위해 일종의 차단막을 형성하는 방법이 산화 공정
• 산화 공정이란
  • Si(실리콘)(s) + 2H₂O (g) → SiO₂(유리)(s) + 2H₂ (g)
  • 유리는 튼튼하고 반응성이 적어 화학 물질 저장에도 사용 → 다른 물질의 진입을 차단해 이온 주입 공정 등에서 사용
  • 의도적으로 전류 흐름을 차단하기 위해서도 사용 : 모스펫의 게이트(Gate)
    • 모스펫의 핵심 구조는 게이트
    • 모스펫 내부에는 전류가 들어오는 S(Source)와 전류가 나가는 D(Drain)이 있다.
    • S → D로 전류가 흐를 때 On, 흐르지 않으면 Off → 이것을 조절하는게 게이트
    • 이 게이트가 회로에서 직접적으로 전류를 차단하면 Off 상태에서 게이트에 전류가 새어나가며 전력 낭비
    • 이를 방지하고자 산화막으로 게이트와 전류 길 사이를 차단하면 게이트에는 전류가 거의 흐르지 X
    • 직접 차단하지 않고 전류를 조절하는 원리
      → 게이트에 전압이 인가되면 산화막을 사이에 두고 전자기력이 전류 길에 영향을 줘서 차단
    • 즉, On 일 때는 전류가 흐르다 게이트에 전압이 인가되면 Off 되는 원리 (간접적인 차단)
  • 일반적으로 SiO₂를 많이 사용하지만, 필요한 경우 증착의 형태나 이미 형성된 회로 일부를 제조 과정에서 보호막으로 활용하기도 한다.
  • 산화 과정에서 웨이퍼를 구성하는 실리콘 원자가 상당량 소모된다. (증착과 가장 큰 차이점) 
• 산화 공정의 종류
  

  종류	공급 기체	온도	압력	산화속도 (Temp const.)
  습식 (Wet)	H₂O	> 600 ℃	ATM (상압 산화) (N₂ 희석 산화)	빠름
  건식 (Dry)	O₂ (+ N₂)			보통
  라디칼	H₂ + O₂		< 1 Torr	느림

  • 습식 : 빠르게 산화막 성장시킬 수 있지만, 산화막의 균일성, 밀도 등의 특성이 저하되고 부산물인 수소가 생성된다.
    → 특성의 조절이 어려워 성능에 큰 영향을 주는 핵심 공정에서 사용하기는 힘들다.
  • 건식 : 고온의 산소 기체를 직접 실리콘 웨이퍼에 보내는 방식이고, 산소 분자가 물 분자보다 무겁기 때문에 실리콘 웨이퍼 내부로 침투하는 속도가 상대적으로 느리다. 따라서 부산물 기체 생성이 없고, 밀도가 높고 균일한 산화막이 생성된다.
    → 최종 제품의 성능에 중요한 영향을 미치는 반도체 게이트 부분의 산화막은 건식 산화로 형성
  • 라디칼 : 습식과 건식은 자연 기체들에게 에너지를 가해 고온으로 만든 뒤 웨이퍼 표면과 반응시키는 방식이었지만, 라디칼 산화는 산소 원자를 고온에서 수소 분자와 섞어 고반응성 라디칼 기체로 바꿔 웨이퍼와 반응시킨다.
    → 반응성이 높아 불완전 반응이 거의 없기 때문에 건식 산화보다 훨씬 높은 품질의 산화막이 얻어진다.
    → 또한 기존에 산화막 형성이 어려웠던 모서리 부분에도 균일한 산화막 생성이 가능
    → 반응성이 낮은 편인 질화규소(Si₃N₄)에서도 실리콘 원자를 가져와 산화 반응을 일으킨다.
  • 점차 반도체 미세화가 어려워지며 반도체 회사들이 3차원 구조의 반도체를 연구하고 있으며, 이로 인해 산화막 기술은 더 중요해지고 있다.

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출처
SK하이닉스 뉴스룸