[반도체] 반도체 분류, 종류와 구분, 메모리와 비메모리 비교, 제조 공정별 특성, 전공정과 후공정, 제조공정 벨류체인 등

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◆ 반도체란?

전기를 잘 통하게 하는 도체와 전기가 흐르기 어려운 절연체의 중간에 있는 것을 뜻함.

반도체는 평소에는 전기가 전혀 통하지 않지만 특수한 조건에서는 전기가 통하는 물질로 실리콘(Si)과 게르마늄(Ge)이 있음.

 

 

 

 

 

◆ 반도체 분류

- 소재: 웨이퍼, 세정, 포토, 식각, 증착, 패키징, 테스트, 기타

- 장비: 산화, 포토, 식각, 세정, 증착, 패키징, 테스트, 룸, 설비, 기타

- 분야: IDM, 파운드리, 팹리스, 유통

 

 

 

 

 

◆ 반도체 종류와 구분

 

 

 

 

 

◆ 메모리와 비메모리 비교

구분	메모리	비메모리
기능	저장	처리, 연산, 추론
시장구조	소품종 대량양산	다품종 소량양산
시장변동성	민감	둔감
생산구조	설계 업체가 대부분 양산	대부분 설계와 양산 업체 분리
경쟁력	자본력, 기술력	설계기술

 

 

 

 

 

 

◇ 메모리 반도체

구분		사진	내용
휘발성	DRAM		-임시 기억 저장 장치로서 삼성전자, SK하이닉스, 마이크론의 주력 제품 -초고속 데이터 전송용 메모리로서 기억 밀도가 높고 가격이 저렴 -저장내용을 주기적으로 재생하지 않으면 사라지는 약점 존재
	SRAM		-플리플롭 방식의 메모리 셀을 가진 임의 접근 기억 장치로서 컴퓨터의 캐시, 전자오락기 등 사용 -전원이 공급되는 동안만 저장된 내용을 기억   -재생이 불필요해 소용량의 메모리가 캐시메모리에 주로 사용 -DRAM에 비해 고가
비휘발성	Flash Memory		-디지털카메라, PDA 등 소형단말기에서 주로 사용 -RAM의 정보수정과 ROM의 비휘발성 장점 모두 가짐
	NAND Flash		-영구 저장 장치로서 SSD, USB등에 사용

 

 

 

◇ 비메모리 반도체

- 시스템 반도체: 계산 목적의 반도체로서 CPU, GPU, AP, DDI 등

- 광소자 반도체: 이미지센서, LED

- 메모리 반도체와는 달리 설계와 제조가 분리된 경우 많음

 

 

 

▶ 시스템 반도체

- 삼성전자와 SK하이닉스의 주력 제품은 D램 반도체였으나 2019년 삼성전자는 시스템 반도체에 133조원 초대형 투자 프로젝트 계획

- 메모리 반도체와 시스템 반도체는 내부 구조가 달라 공정상의 차별성 존재 (특히 패키징 분야에서 그렇다)

- 테스트공정: 반도체에서 불량 칩을 걸러내고 성능에 따라 등급을 구분하는 과정

* 핸들러: 반도체 칩을 등급에 따라 분류하는 테스트 장비 (높은등급: SSD제품 / 낮은등급: USB)

* 번인테스트: 반도체에 고온과 저온의 스트레스 테스트

- 패키징: 반도체 칩을 기판에 연결하는 본딩과 화학수지로 밀봉하는 과정 포함. 기존에는 본딩에 금속 소재를 사용했는데, 이러한 와이어 본딩 기술이 범핑 기술로 대체

* 범핑 주력 기업: 네패스, SFA반도체

 

 

 

 

 

 

◆ 반도체 제조 공정별 특성

공정구분	공정별	사업특성
전공정 (Front-End Process)	일관(종합)공정 (IDM)	-반도체 설계부터 제조 및 테스트, 판매까지 일관공정 체제를 구축하여 직접 수행하는 업체 -메모리 제조의 가장 성숙한 모델 -기술력과 규모의 경제를 통한 경쟁확보 -거대투자의 고위험 고수익 형태  -삼성전자, 하이닉스
	설계전문 (Fabless)	-공장(Fab)없이 반도체 설계와 판매만 하는 업체 -파운드리에 반도체 생산을 맡겨 제품(칩)을 받은 뒤자신의 이름을 달고 판매 -고위험의 거대 투자를 회피할 수 있으나 위탁제조의 비용부담 필요 -고도의 시장예측이 필요하며, 주문생산의 최소물량 수준 예측 필요 -퀄컴, AMD, 애플, 엔비디아, 실리콘웍스, 동운아나텍, 제주반도체 등
	제조전문 (Foundry)	-공장을 갖추고 있지만 설계는 하지 않고 칩 생산만 하는 업체 -칩 설계는 설계전문업체로부터 위탁제조 -TSMC, DB하이텍
후공정 (Back-End Process)	패키징 & 테스트	-메모리 제조는 자체적으로 조립하지만, 비메모리 분야는 다양한 제품을 모두 패키징 할 수 없어 외부에 위탁 -반도체 테스트는 전수검사를 해야 하며, 조립업체에서 수행하지만, 검사장비가 고가이므로 다양한 칩을 모두 검사할 수 없어 테스트 전문 업체에 위탁
설계 및 장비	IP전문 (Chipless)	-반도체 설계만 전문으로 하는 회사 -팹리스와 유사하지만 자신의 브랜드로 칩을 판매하진 않음 -팹리스 설계 칩을 제조용 칩으로 디자인 -에이디테크놀로지
	공정장비	-반도체 제조 장비 개발 및 생산 -제조공정 기술 개발도 주도

 

 

 

 

 

◆ 반도체 제조 공정

웨이퍼 제조 → 산화 → 포토 → 식각 → 증착(박막) → 테스트 → 패키징

 

 

 

◇ 전공정

 

▶ 웨이퍼 제조 공정 : 모래나 규석에서 추출한 실리콘으로 잉곳을 만든 후 둥글고 얇게 절단해 반도체 원판으로 가공하는 것

 

출처:렛유인

 

 

 

▶ 산화 공정 : 웨이퍼를 보호하는 산화막을 형성하는 공정

- 건식산화: 순수한 산소만을 이용. 반응이 느리고 얇음. 산화막의 질이 비교적 좋음. (전기적 특성이 좋은 산화물을 만들 수 있다)

- 습식산화: 산소와 수증기 활용 반응이 빠르고 두꺼움. 산화막의 질이 비교적 안좋음.

 

출처:렛유인

 

 

 

▶ 포토 공정 : 리소그래피라고도 하는데 산화막을 입힌 웨이퍼 위에 빛을 이용하여 회로 패턴이 담긴 마스크 상을 비춰 회로를 그려넣는 공정 (국산화 비율이 가장 낮은 분야)

※ 웨이퍼 표면에 바르는 감광액의 경우 자외선에 대한 감도가 높아야 고품질의 미세한 회로 패턴을 얻을 수 있음

 

출처:렛유인

 

 

 

▶ 식각 공정 : 회로 패턴을 제외한 나머지 부분을 제거하는 공정으로 세정을 함께 진행 (습식과 건식으로 나뉨)

- 건식식각: 플라즈마 상태를 이용. 정확성이 좋아 패터닝을 작게 만들 수 있으나 고비용으로 어려운 과정임

- 습식식각: 용해성 화학물질을 사용. 저비용, 쉬운 과정으로 식각속도는 빠르나 비교적 정확성이 안좋음

 

출처:렛유인

 

 

 

▶ 증착(박막) 공정 : 반도체가 원하는 전기적인 특성을 갖도록 웨이퍼 위에 분자 또는 원자 단위의 물질을 박막(1마이크로미터)의 두께로 촘촘히 입히는 과정

- 물리적 기상증착방법(PVD): 금속 박막의 증착에 주로 사용되며 화학반응이 수반되지 않음. 열증발법, 전자빔증발법, 스퍼터링법이 있음

- 화학적 기상증착방법(CVD): 가스의 화학 반응으로 형성된 입자들을 외부 에너지가 부여된 수증기 형태로 쏘아 증착시키는 방법. 도체, 부도체, 반도체 박막증착에 모두 사용가능. 

 

출처:렛유인

 

 

 

 

 

 

◇ 후공정

 

▶ 테스트 & 패키징 공정

- 테스트, 금속배선, 성형 공정으로 이루어짐

 

▷ 테스트(불량여부검사) : EDS 테스트, 패키징 테스트, 품질 테스트로 이루어짐

 

- EDS 테스트 : 제조공정을 거친 반도체 칩을 테스트를 통해 양, 불량을 선별하게 되는 과정. 박막 증착이 끝난 단계에서 행함. 이 때 수율이 매우 중요함.

 

※ EDS 테스트 5단계  

1) ET Test & WBI : 전기적 진류전압, 전류특성 테스트

2) Pre-Laser : 상온보다 높은/낮은 온도에서 테스트

3) Laser Repair & Post Laser : 2단계의 불량품 보완

4) Tape Laminate & Bake Grinding 

5) Inking : 불량칩에 특수 잉크를 찍어 불량품 식별

 

출처:렛유인

 

 

 

- 패키징 테스트 : 반도체 칩을 탑재될 기기에 맞는 모양으로 포장을 하는 단계로 EDS Test를 거친 웨이퍼를 절단기로 잘라 낱개의 칩으로 분리한 후, 절단된 칩인 리드프레임과 칩을 연결함

 

출처:렛유인

 

 

 

- 품질 테스트: 출하하기 전 소비자 관점에서 실시

 

 

 

▷ 금속배선 : 반도체 제품내의 소자들을 동작시킬 수 있도록 반도체 회로 패턴을 따라 전기길, 금속 선을 잇는 공정

- 알루미늄: 가격이 저렴하고 박막증착이 쉬움. 단, 부식이 잘되고 녹는 점이 낮음

- 구리: 알루미늄보다 저항이 낮음. 다마신 공정을 사용하여 패터닝

 

출처:렛유인

 

 

 

▷ 성형공정

- 열 및 습기 등의 물리적인 환경으로부터 반도체 직접회로를 보호하고 원하는 형태의 패키지로 만드는 과정

 

 

 

 

 

 

 

◆ 반도체 제조공정 벨류체인

 

 

출처:이베스트증권리포트

 

 

 

 

 

◆ 일본의 핀셋규제

- 2019년 7월 일본 정부가 수입 의존도가 높은 핵심 소재만 골라 규제에 나섬

 

◇ 규제 품목

- 감광액: 웨이퍼 위에 회로를 그리는 포토 공정 (동진쎄미켐)

- 고순도 불화수소: 웨이퍼를 깎아내는 식각 공정 (SK머티리얼즈, 솔브레인)

- 플루오린 폴리이미드: PI필름에 들어가는 소재, 스마트폰과 디스플레이 등에 광범위하게 사용