금속배선에서 패키징 테스트까지 - 투자를 위한 반도체 테마 지식 Part 11

반도체 금속배선 공정 및 추가 선공정

금속배선 공정

• 이온주입 공정을 통해 전도성을 갖게 된 반도체는 필요에 따라 전류가 흐르거나 차단될 수 있도록 조절된다. 그러나 반도체 회로가 정상적으로 작동하려면 외부로부터 전기적 신호를 전달받아야 하며, 이를 위해 반도체 회로 패턴에 따라 전기 신호가 원활하게 흐를 수 있도록 금속선으로 연결하는 과정이 필요하다. 이러한 작업을 금속배선공정이라 한다.
• 금속배선에 사용되는 금속 재료는 웨이퍼와의 부착성이 높고 전기저항이 낮아야 하며, 열적·화학적으로 안정적이고 패턴 형성이 용이해야 한다. 또한, 신뢰성이 높으면서도 제조 비용이 낮아야 한다. 대표적인 금속 재료로는알루미늄, 티타늄, 텅스텐 등이 있다.
• 이 중 알루미늄이 가장 많이 사용되지만, 실리콘과 직접 접촉하면 섞이는 현상이 발생해 접합면이 손상될 가능성이 크다. 이를 방지하기 위해 알루미늄과 웨이퍼 접합면 사이에 배리어 메탈(Barrier Metal)을 증착하여 보호하는 방식을 사용한다.
• 금속배선 과정 역시 증착 공정을 통해 이루어지며, 현재는 CVD(화학적 기상 증착) 방식이 주로 사용되고 있다.

금속배선 공정 (GPT를 통해 제작된 이미지)

추가 선공정 1: 평탄화(CMP, Chemical Mechanical Planarization)

• CMP 공정은 화학 반응과 기계적 힘을 이용해 웨이퍼 표면을 평탄화하는 과정이다.
• 노광 공정에서는 균일하지 않은 막이 초점 오류를 유발할 수 있기 때문에, 이를 방지하기 위해 CMP 공정이 도입되었다. 특히, 미세공정이 일반화됨에 따라 CMP의 중요성이 더욱 커지고 있다.
• CMP는 기계적 요소와 화학적 요소가 결합된 고도의 정밀 공정이다. 주요 변수로는 연마패드와 웨이퍼의 회전 속도, 웨이퍼에 가해지는 압력, 패드의 방향성과 같은 기계적 요소뿐만 아니라, 연마할 표면 물질과 반응하는 **슬러리(Slurry)**의 화학적 특성, 슬러리 내 연마 입자와 웨이퍼 표면 간의 상호작용, 유기 첨가제의 역할 등이 포함된다.

CMP 장비 시장

CMP 장비는 전체 반도체 장비 시장에서 3% 정도의 비중을 차지하고 있으며, 시장 성장률은 반도체 장비 시장의평균보다 낮다. 미세공정에서의 기여도는 상대적으로 낮지만, 특정 공정에서는 필수적인 역할을 한다.

 

주요 업체

• 해외: Applied Materials(68%), Ebara(JP, 26%)
• 국내: 케이씨텍(3%)

CMP장비 (GPT로 작성된 이미지)

추가 선공정 2: 세정(Cleaning)

세정 공정은 각 단위 공정 사이에서 발생하는 잔여 이물질을 제거하는 과정으로, 반도체 수율과 직결된다. 반도체전체 공정의 15% 이상을 차지하는 핵심 공정이며, 미세공정이 발전할수록 더욱 중요해지고 있다. 세정 방식은 사용되는 소재 및 방식에 따라 Wet Cleaning, Physical Cleaning, Dry Cleaning으로 구분된다.

• Wet Cleaning: 액상 소재를 이용한 세정 방식
• Physical Cleaning: 물리적 자극을 이용한 세정 방식
• Dry Cleaning: 별도의 소재를 사용하지 않는 세정 방식

특히, Wet Cleaning은 웨이퍼 처리 방식에 따라 두 가지로 나뉜다.

• Bench 방식: 여러 장의 웨이퍼를 한꺼번에 처리하여 생산성이 높고, Chemical 사용량이 상대적으로 적음. 다량의 웨이퍼를 동시에 세정하기 때문에 웨이퍼 간 오염 문제가 발생할 가능성이 있음
• Single Spray 방식: 회전하는 웨이퍼 위에 Chemical을 분사하여 파티클을 효과적으로 제거하여 균일한 세정이 가능하지만 생산 효율성이 낮음.Chemical 온도 조절이 제한적일 수 있는데, 현재 전체 세정 시장의 80%를 차지하며가장 널리 사용되는 방식 

세정공정 장비 시장

세정 공정은 전체 반도체 공정에서 15% 이상의 비중을 차지하는 핵심 공정이지만, 반도체 장비 시장 내 비중은5% 수준에 불과하다. 또한, 성장률도 반도체 장비 시장의 평균보다 낮다. 이는 세정 공정이 기술력보다 소재의중요성이 더 크기 때문이다.

 

주요 업체

해외: Screen(JP, 39%), TEL(24%), SEMENS(21%)

국내: 제우스

 

세정 장비 (GPT로 작성된 이미지)

전기적 특성검사(EDS: Electrical Die Sorting)

EDS 공정은 웨이퍼의 완성 단계(FAB 공정)에서 전기적 특성을 검사하여 개별 칩들이 원하는 품질 수준을 충족하는지 확인하는 과정이다. 반도체 수율을 높이기 위해 필수적인 공정이며, 양품과 불량품을 선별하고,불량품 중 수선 가능한 칩을 양품화,FAB 공정이나 설계에서 발견된 문제점을 수정하여 이후 패키징 및 테스트 공정의 효율성을 향상하는 것을 목적으로 한다

 

주요 검사 과정

• ET Test & WBI(Wafer Burn-In): IC 동작에 필요한 개별 소자(트랜지스터, 저항, 캐퍼시터, 다이오드)의 전기적 직류(DC) 전압 및 전류 특성을 테스트로 웨이퍼에 일정 온도의 열을 가한 후 AC/DC 전압을 가해 결함 및 약한 부분을 탐지
• Hot-Cold Test: 특정 온도에서 정상적으로 동작하는지 판별하는 테스트로 상온보다 높은 온도 및 낮은 온도를 병행
• Repair/Final Test: EDS에서 가장 중요한 단계로 이전 공정에서 수선 가능으로 판정된 칩들을 수선한 후 Final Test를 통해 수선이 제대로 이루어졌는지 재검증
• Inking: 불량 칩에 특수 잉크를 찍어 육안으로 쉽게 식별할 수 있도록 하는 공정으로 패키징 이후 불량품을 사용하지 않도록 방지하여 시간과 비용 낭비를 줄임

EDS 과정이 완료된 후 웨이퍼는 건조 과정을 거쳐 **Quality Control(품질 검사)**을 수행한 뒤 패키징 단계로 이동한다.

테스트 공정은 IDM/Foundry가 직접 수행하기도 하지만, 일부 공정은 **OSAT(Outsourced Semiconductor Assembly and Test)**에 외주를 맡긴다. OSAT 업체들은 테스터 장비를 보유하고 있을 뿐만 아니라 최적화된 테스트 솔루션을 제공한다. 반도체 소자의 집적화와 기술 고도화가 진행되면서 테스트 항목과 소요 시간이 증가하고 있으며, 이에 따라 외주 테스트 업체의 역할이 점점 커지고 있다.

 

주요 테스트 업체

• 해외: ASE, Amkor, JECT
• 국내: 네패스아크, 테스(전문 테스트 하우스), 하나마이크론, 에이티세미콘(패키징 및 테스트 서비스 제공)

주요 테스트 장비 업체

• 해외: Advantest, Teradyne
• 국내: 와이아이케이(삼성전자 납품용 메모리 웨이퍼 테스터), 디아이 

EDS장비 (GPT로 제작된 이미지)

반도체 패키징과 테스트 공정

• FAB 공정을 통해 완성된 칩(Bare Chip or Die)은 아직 외부와 전기 신호를 주고받을 수 없는 상태이며, 외부 충격에 의해 손상되기 쉬운 구조이다. 따라서 반도체 칩을 가판이나 전자기기에 장착할 수 있도록 보호하는 패키징 과정이 필요하다.
• 과거에는 단순한 패키징과 테스트 공정으로 평가되었으나, 전공정 단계에서의 집적화가 한계에 도달하면서 후공정 기술의 중요성이 커지고 있다. 특히 20나노 이하 공정에서 단위당 비용 부담이 급격히 증가하면서 후공정기술의 역할이 더욱 중요해지고 있다.
• 삼성전자는 Advanced Packaging(2.5D, 3D 적층 패키징) 기술을 확보하면서 투자 확대를 진행 중이며, 비용 절감을 위해 패키징 공정의 외주화도 적극 추진하고 있다. 이에 따라 국내 OSAT(Outsourced Semiconductor Assembly and Test) 업체들도 수혜를 볼 것으로 예상된다.
• TSMC는 CoWoS(Chip-on-Wafer-on-Substrate) 기술을 확보한 뒤 Foundry 시장에서 독보적인 위치를 차지하고 있다.

2.5D와 3D 패키징의 차이 (자료: Ansys, https://blog.naver.com/jkhan012/223179631787)

패키징(Packaging)

패키징 공정은 반도체 칩과 전자기기를 연결하고, 외부 환경으로부터 보호하는 역할을 한다. 주요 공정은 다음과같다.

• 웨이퍼 절단(Wafer Sawing or Dicing): 웨이퍼는 수백 개의 칩으로 구성되어 있으며, Scribe Line을 따라 다이아몬드 톱이나 레이저 광선을 이용해 절단된다. 칩이 절단되는 과정에서 배열이 흐트러지거나 손상될 수 있기 때문에 이를 방지하기 위해 Grinding(웨이퍼 두께 감소)과 Taping(테이프 고정) 공정을 선행한다.
• 칩 접착(Die Attach): 절단된 칩을 리드프레임(Lead Frame) 또는 PCB 기판으로 옮기는 과정이다. 리드프레임은 반도체 칩과 외부 회로 간의 신호 전달을 담당하며, 칩을 보호하고 지지하는 역할을 한다.
• 금선 연결(Wire Bonding): 반도체 칩과 기판의 접점을 얇은 금선을 이용해 연결하는 공정이다. 전기적 특성을 유지하기 위한 중요한 과정이다.
• 성형(Molding) 공정: 열, 습기 등 물리적 환경으로부터 반도체 IC를 보호하고, 원하는 형태의 패키지를 완성하는 과정이다.

Packaging과정 (자료: 삼성전자)

 

주요 패키징 업체(국내)

• 해성디에스: Lead Frame 주력 생산. 자동차용 반도체에 많이 사용되며, 차량용 반도체 시장의 성장에 따라실적이 증가하는 중.
• 삼성전기, LG이노텍, 대덕전자, 코리아써키트, 심텍: PCB 기판 수요가 증가하면서 설비 투자를 확대하고 있다.

 

패키징 테스트(Packaging Test)

패키징이 완료된 칩의 최종 불량 여부를 선별하는 과정이 패키징 테스트(Final Test)이다.

• 테스트 방법: 검사 장비에 넣고 다양한 조건의 전압, 전기 신호, 온도, 습도 등을 가하여 반도체 칩의 전기적 특성, 기능적 특성, 동작 속도를 측정한다. 테스트 데이터를 분석하여 제조 공정이나 조립 공정에서의 문제점을 피드백하여 제품의 품질을 개선한다.
• 외주 테스트(테스트하우스): 웨이퍼 테스트(Wafer Test)는 주로 IDM/Foundry에서 직접 수행하며, 패키징 테스트는 외주(테스트하우스)에 맡기는 경우가 많다. 일부 OSAT 업체들은 웨이퍼 테스트부터 패키징, 파이널 테스트까지 모든 공정을 수행하기도 하며, 일부 업체는 패키징 테스트만 전문적으로 수행하기도 한다. (예: 에이팩트)
• 테스터 장비 시장 규모: 전체 시장 규모는 약 8조 원 규모로, 이 중 SoC(시스템 반도체) 테스터가 80%를 차지하며, 나머지는 메모리 테스터 시장이다.

주요 테스트 업체

• 해외: ASE, Amkor, JECT
• 국내: 네패스아크, 테스(테스트 전문 하우스), 하나마이크론, 에이티세미콘(패키징 및 테스트 서비스)

주요 테스트 장비 업체

• 해외: Advantest(47%), Teradyne(23%)
• 국내: 엑시콘, 유니테스트, 네오셈

* 본 자료는 각종 리포트와 뉴스, 책 등을 기반으로 블러거가 작성한 내용으로 참고 자료에 따라 최신 내용을 반영하지 못할 수 있습니다