Elda study

에피택시 Epitaxy 공정 (EPI)

삼전 공정기술 면접 자주 나옴

• 웨이퍼 위에 단결정 실리콘층을 성장시키는 공정
• 기판과 동일한 결정 방향 유지
• 원하는 도핑 농도를 가진 층 형성
• 소자의 전기적 특성 향상
  → DRAM, CMOS 공정에서 활용원래 웨이퍼 위에 실리콘 한층 더 성장

Epitaxy layer

기존 웨이퍼 위에 '결정 방향은 그대로 유지하면서' 새롭게 성장시킨 단결정 실리콘층.
도핑 농도 독립적으로 조절해 소자 전기적 특성을 최적화하기 위해 증착.

고농도 실리콘 기판 (저항 大)

• 도핑 농도 높으면 : 저항은 작아지지만, PN 접합의 항복 전압(breakdown voltage) 낮아짐.
  → 즉, 조금만 높은 전압 걸려도 접합 망가질 수 있음
• So, 기판과 동일한 전도성 가지면서 농도 낮은(약하게 도핑된) Sillicon epitaxy layer 증착하여 접합 형성.
  → 전도성 동일(N형 , P형)해 전류 잘 흐르지만 위쪽 EPI 은 도핑 낮아서 좋은 접합!

트랜지스터

• 약하게 도핑된 Epitazy layer를 collector 영역에 사용,
  그 위에 base or emitter를 확산시키는 방식으로 제조.
  → collector를 약하게 도핑하면 높은 전압을 견딜 수 있음 !

Q. 왜 기판 자체를 낮은 도핑으로 만들지 않고?

기판을 약하게 도핑하면 저항 커짐. → 속도 감소, 전력손실 증가.

CZ 법 

• 용융 실리콘에 Seed Crystal 접촉
• Seed를 회전시키며 천천히 인출(Pulling)
• 단결정 Ingot 성장
• 반도체 웨이퍼의 80~90% 생산
• 대구경 웨이퍼 생산 가능
• 단) 석영 도가니 사용하므로 산소가 일부 혼입될 수 있음.

원리

1. 실리콘을 녹여 용융 상태로 만든다.
2. Seed Crystal(작은 단결정)을 용융 실리콘에 접촉시킨다.
3. Seed를 천천히 회전시키며 위로 당긴다(Pulling).
4. Seed와 같은 결정 방향으로 실리콘이 성장한다.
5. 원통형 단결정(Ingot)이 만들어진다.

FZ 법 

• 도가니(Crucible) 사용 X → 산소 오염 적음. 고순도 웨이퍼.
• 국부적으로만 용융
• 전력반도체 사용
• 단) 대구경 웨이퍼 생산 어려움, 생산성 낮음.

원리

1. 실리콘 봉의 일부만 국부적으로 녹인다.
2. 용융 영역을 위에서 아래(또는 아래에서 위)로 천천히 이동시킨다.
3. 녹은 부분이 다시 응고되면서 단결정으로 성장한다.

⭐⭐⭐ 대량 생산에는 CZ법이 유리, 최고 수준의 순도가 필요한 특수 반도체에는 FZ법이 유리 ⭐⭐⭐

결정 성장

Single Crystal Sillicon 제조 공정
모래→고순도 실리콘→ 단결정 성장→ Silicon ingot→ Wafer 절단→ Polishing(연마)→ Silicon wafer

Silicon

• 지구 지각 25% 차지, 반도체의 대표 재료
• 산소와 쉽게 결합해 SiO2 (산화막)를 쉽게 형성할 수 있어 반도체 제조에 적합
• 반도체 제조 전 고순도로 정제 ▷ 불순물 농도 : 약 ppb 수준

단결정 성장 방법

① CZ(Czochralski)법 ⭐⭐⭐⭐⭐

• 현재 가장 많이 사용, 반도체용 단결정의 80~90% 생산
• Seed Crystal을 용융 실리콘에 넣고 천천히 회전시키며 인출
• 장점 : 대구경 웨이퍼 제작 가능, 생산성이 높음

② FZ(Float Zone)법

• 용융 도가니를 사용하지 않음
• 산소 함량이 낮은 고순도 실리콘 제조 가능
• 주로 전력반도체, 특수 반도체

잉곳(Ingot)

: 단결정으로 성장한 원통형 실리콘 → 웨이퍼 형태로 절단 → 연마 → 반도체 공정 시작

Q. 왜 FZ가 더 고순도인가?

CZ법: 용융 실리콘이 석영(SiO₂) 도가니와 계속 접촉 → 산소가 일부 실리콘에 녹아 들어감.

• FZ법: 도가니 없이 용융 영역만 이동 → 도가니로부터 산소가 유입되지 않음.

→ FZ법이 CZ법보다 산소 농도가 낮고, 더 고순도이다.

Q. FZ가 더 순수한데도 대부분 CZ법을 사용하는 이유?

대구경 웨이퍼 제작 가능
생산성이 높음
비용이 낮음

⭐⭐⭐ 대량 생산에는 CZ법이 유리, 최고 수준의 순도가 필요한 특수 반도체에는 FZ법이 유리

반도체 산업의 주요 공정

웨이퍼 제조→ 산화 → photo →etching → 증착/이온주입 → 평탄화 → 금속화 → EDS → PKG

각 공정 단계 및 역할

비메모리 반도체 (시스템 반도체)

데이터를 저장하지 않고 처리·제어하는 반도체.
메모리 반도체와 달리 다양한 기능을 수행.

주요 종류

프로세서 반도체

• CPU
• AP(Application Processor)
• MPU
• MCU
• DSP(Digital Signal Processor)

용도

• 컴퓨터
• 스마트폰
• 자동차
• AI
• IoT

메모리 반도체 vs 시스템 반도체

시스템 반도체 시장 현황

• 글로벌 반도체 시장의 50~60% 차지
• 메모리 시장보다 규모가 큼
• AI, 자율주행, IoT 확대로 지속 성장
• 미국 기업이 팹리스 시장을 주도
• 파운드리는 TSMC 세계 1위, 삼성전자가 추격 중

⭐ 취업 추가 설명

그래프의 시장 규모나 연도별 수치 자체는 암기할 필요가 없습니다.
다만 아래 흐름은 기억해 두세요.

• 메모리 시장은 경기 영향을 많이 받아 가격 변동이 크다.
• 시스템 반도체 시장은 AI, 자동차, IoT 성장에 따라 꾸준히 확대되고 있다.
  
  

메모리 반도체

데이터를 저장하고, 기록하는 반도체

① 휘발성 메모리 (DRAM) - D, S, V 램

전원이 꺼지면 데이터가 사라짐

종류 특징 대표 용도

• DRAM : 가장 많이 생산되는 메모리, PC 주기억장치, 지속적인 Refresh 필요
  • 동영상, 3D 게임 등 고속 데이터 처리에 사용
  • 그래픽 처리 능력에 따라 SD램, 램벗D램, DDR, DDR2 등 구분
• SRAM : DRAM보다 빠름, Refresh 불필요, CPU Cache에 사용
• VRAM : 그래픽 데이터 저장, GPU에서 사용

*** Refresh** : DRAM 내부 Capacitor 전하가 시간 지나면 감소해 주기적으로 재충전하는 과정

• SRAM은 Cell 구조가 복잡하여 가격은 비싸지만 Refresh가 필요 없어 매우 빠르다.

Q. RAM과 SRAM의 가장 큰 차이는?
→ DRAM은 Refresh가 필요하지만 SRAM은 필요 없다.

② 비휘발성 메모리 (DROM)

전원이 꺼져도 데이터 유지

종류 : Mask ROM, EPROM, EEPROM , Flash Memory

• Mask ROM
  • 제조 공정에서 데이터 저장
  • 전자기기 S/W 저장용
  • 전자악기, 전자사전 등에 사용
• EPROM
  • 자외선을 이용하여 데이터 삭제 및 재기록 가능
• EEPROM
  • ROM과 RAM의 장점을 결합
  • 전기적으로 데이터 삭제 및 저장 가능
• Flash memory : 전력 소모 少, 고속프로그래밍 및 대용량 저장 가능. HDD 대체 제품
  • NAND Flash : 데이터 저장형. 대용량 저장, SSD, USB, 스마트폰 저장공간.
  • 현재 SSD 대부분은 NAND Flash를 사용
  • NOR Flash : 코드 저장형. 부팅(Boot)용 메모리

• NAND는 저장용, NOR는 실행용.
• D램은 전원 꺼지면 data 사라짐, NAND flash는 전원꺼져도 데이터 보존 but 속도가 느리다.

메모리 반도체 시장 특징

• 삼성전자와 SK하이닉스가 세계 메모리 시장을 주도
• 메모리 시장은 공급과 수요에 따라 가격 변동이 큼
• 생산은 소품종 대량생산
• 설비 투자의 영향이 큼

⭐ 취업 추가 설명

삼성전자와 SK하이닉스의 핵심 사업은 다음과 같다.

• DRAM
• NAND Flash
• DDR5
• LPDDR5X
• HBM
• SSD

특히 최근에는 **HBM(High Bandwidth Memory)**이 AI 반도체 시장 성장과 함께 가장 중요한 제품으로 자리 잡고 있다.