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1.전기를 차단하는 완벽한 방법, 산화막

실리콘이 산소와 만나면 산화 반응에 의해 이산화규소 SiO2 가 만들어진다. 이는 산화막을 만드는 데 활용된다. 반도체는 전류의 흐름을 통해 0과 1을 오가며 연산을 수행한다. 전기가 흐르는 곳과 흐르지 않는 곳을 확실하게 구분(절연)해줘야 하기 때문에 전류가 올바른 회로로만 흐를 수 있도록 반도체 소자 내에서, 또 반도체 소자 간에 차단벽을 세운다. 이렇게 차단벽의 역할을 하는 것이 산화막이다. 이산화규소를 활용해 산화막을 만드는 공정을 산화공정이라고 한다.

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산화공정을 위해서는 세가지 준비물이 필요하다.

1. 실리콘원자(웨이퍼에서 얻을 수 있다.),
2. 산소원자(기체형태로 웨이퍼에 공급해줌),
3. 열 에너지(실리콘 원자와 산소가 반응하도록 충분한 열 에너지-고온)

2. 다양한 곳에서 쓰이는 이산화규소

이산화규소는 절연층으로써 다양한 곳에서 활용된다. 하나의 반도체 안에는 수많은 MOSFET 소자가 들어가며, MOSFET소자 간 절연을 위한 이산화규소절연막 이 필요하다. 이 절연막을 STI (Shallow Trench Isolation)이라고 부른다. 웨이퍼 표면에는 반도체 소자들이 빼곡하게 채워져 있다. 이 표면에 전선을 배치하면, 전기적 연결이 잘못 형성되어 제대로 동작하지 않을 수 있다.

그래서 전선을 새로운 층으로 만들어 반도체 소자 위쪽으로 쌓아야 하는데, 이를 배선층 이라고 한다. 반도체 소자 위층에 생긴 첫번째 배선층(위 그림의 빗금 영역)과 웨이퍼 표면을 절연하기 기위한 이산화규소 절연막이 필요하고, 이를 ILD (Inter-Layer-Dielectric)라고 한다. ILD는 층간 절연뿐 아니라 소자의 전극(MOSFET이라면, 소스,드레인,게이트) 간의 절연역할도 한다.

복잡하게 설계된 회로를 한정된 면적 내에 구현하기 위해서는 더 많은 배선층이 있어야 한다.

배선층 사이에도 절연을 해줘야 하며, 이때 사용하는 이산화규소 절연막을 IMD (Inter-Metal-Dielectric)라고 부른다.

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3. 산화방식의 종류 (건식산화와 습식산화)

• 건식산화 : Dry Oxidation. 산소기체만을 이용해 산소원자를 공급. 산화막성장속도가 느린만큼 이산화규소의 밀도가 높게 형성되어 절연특성이 뛰어나다. 얇은두께유지
• 습식산화 : Wet Oxidation. 산소기체와 더불어 수증기(H2O)를 함께 사용하여 공급. 산화막성장속도는 건식산화막보다 5~10배 더 빠르다. 산소기체와 수증기를 산소원자 공급원으로 함께 사용하면 실리콘 원자에 더 빠른 속도로 더 많은 양의 산소원자를 공급할 수 있기 때문이다. 하지만 성장속도가 빠른만큼 이산화규소가 성기게 형성되면서 절연능력이 떨어진다.

이러한 차이 때문에 두 방식으로 형성된 산화막은 활용도가 다르다.

팹리스 기업은 계속해서 늘어나는 데 반해 반도체를 만들어 줄 파운드리 기업은 손에 꼽을 정도로 적다. 파운드리 기업이 반도체를 만들어주지 않으면 팹리스 기업은 원하는 반도체를 제때 출시할 수가 없다. 파운드리 기업이 주도권을 가질 수밖에 없는 환경이다. 슈퍼 을!

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미세공정의 중요성. 설계 도면이 우수해도 그 설계대로 만들 수 없으면 노소용. 현재 10nm 이하의 미세 공정이 가능한 파운드리 리기업은 TSMC, 삼성전자 그리고 최근에 파운드리 사업에 뛰어든 인텔밖에 없다. 이 세 회사를 통하지 않고서는 최신 공정의 반도체를 만들기가 어렵다. 어떤 파운드리 기업과 일하느냐가 곧 경쟁력인 시대가 된 것이다.

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TSMC, 삼성전자, UMC, 글로벌파운드리, SMIC, 인텔 등이 있다. TSMC가 독보적 1위 점유율 53% (2021년 기준).

2017년 시스템 LSI사업부에서 독립한 삼성전자 파운드리 사업부는 시장 점유율 18%로 2위에 올라 있다.

파운드리 기업에서 만들어진 반도체는 엄격한 테스트 과정을 거친다. 테스트를 통과한 반도체는 패키지 공정에 들어간다. 웨이퍼 위에 만들어진 반도체는 외부와 전기 신호를 주고받을 수 없고, 충격에도 취약하다. 웨이퍼 위의 반도체를 칩 단위로 자르고, 이 칩을 기판에 얹어 전기적으로 연결하고 포장재를 씌워야 비로소 우리가 아는 반도체 완제품의 모습이다. 이 과정이 바로 패키지 공정.​

테스트 및 패키지를 전문적으로 하는 기업을 OSAT기업(반도체 조립 테스트 외주 업체)이라고 한다.

아무리 성능이 뛰어난 반도체라도 외부 단자와 전기적인 연결이 매끄럽지 않으면 그 성능을 온전히 발휘할 수 없다. 또, 어떤 재질의 포장재를 사용하는지에 따라 열 방출 등에서도 차이가 생긴다. 반도체의 최종 성능이 테스트와 패키지 공정으로 결정되는 것이다.

IDM이나 파운드리 기업이 테스트와 패키지 작업까지 하는 경우도 있지만, 이 기업들이 보유한 기술로는 진행이 어려운 고난도 작업들이 있다. 이런 작업들은 OSAT기업에게 외주를 맡긴다. 대표적인 기업으로는 ASE, Amkor Technology, JCET STATS CHIPPAC, SPIL, 파워텍 등이 있다.