최근 우리는 수많은 반도체 관련 뉴스를 접하고 있다. 반도체 관련 소식을 접하면서 우리는 자연스레 반도체가 단순한 수출 역군을 넘어서 국가 안보에까지 영향을 미치는 중요한 제품이 됐다는 점을 인지하기 시작했다. 반도체의 중요도가 높아짐에 따라 정부를 비롯해 여러 기업들은 반도체 산업의 경쟁력을 높이기 위한 방안을 강구하고 있다.
 

반도체 산업의 경쟁력을 높이는 첫 발걸음은 당연히 반도체에 대한 지식을 공유하는 것이다. 이에 본인 역시 반도체 산업에 몸담았던 일원으로서 반도체에 대해 관심이 있거나 반도체 산업에 종사하고자 하는 취업준비생들을 위한 지식을 공유하고자 한다.
 

인터넷이나 교재에서 찾아볼 수 있는 기술에 치중된 지식이 아니라 각 기술이 가지는 연관성을 통한 관계의 중심으로 반도체를 설명하고자 한다. ‘컴퓨터와 트랜지스터’의 주제를 시작으로 공정과 산화, 포토, 식각, 증착, 금속배선 등 총 6편의 시리즈로 반도체 기술에 대한 설명을 이어갈 예정이다.
 

이를 읽는 독자 여러분은 개별 용어에 너무 얽매이지 말고 ‘관계’에 주목하길 바란다. 글을 읽다 보면 갑작스럽게 전문 용어들이 등장할 수 있지만, 이해가 되지 않는다면 그냥 넘어가도 좋다. (필자 주)

반도체 공정 둘러보기

우리는 지난 콘텐츠 마지막 부분에서 모스펫(MOSFET)은 마치 붕어빵 찍어내듯 만들 수 있다는 것과 BJT¹등과는 달리 납땜 등의 과정이 필요 없다는 것을 확인했다. 이번 콘텐츠에서는 그 과정들을 조금 더 자세하게 살펴보겠다.

일단 편의를 위해 반도체가 아닌 일반 전자부품이 어떻게 만들어지는지 떠올려 보자. 당장 주변의 전자기기를 하나 분해해 보면 기판 위에 트랜지스터, 건전지, 축전지, 코일 등 다양한 단위 소자가 PCB²기판 위에 납땜돼 올라가 있음을 알 수 있다. 쉽게 말하면 ‘소자 제조 → 소자 연결’ 의 순서로 만들어진다.

1 BJT(Bipolar Junction Transistorz) : 양극성 집합 트랜지스터, 반도체 내부에서 P형 반도체와 N형 반도체의 두 영역 사이의 경계부분을 일컫는 PN 접합을 이용해 만든 트랜지스터를 의미한다.

2 PCB(Printed Circuit Board) : 인쇄회로기판, 전자 회로를 하나의 판에 넣고 표면에 부품들을 납땜하는 것으로 대부분의 전자기기에 들어간 반도체 기판이다.

▲ 그림 1 : 기판 위에 납땜된 다양한 소자들. 과거 컴퓨터 CPU들도 위와 같이 만들어졌다.(출처:)

위와 같은 순서는 실리콘 웨이퍼 위의 모스펫에도 그대로 적용된다. 웨이퍼 가공 첫 단계에 해야 할 일은 다양한 형태의 단위 소자를 만드는 것이다. 만든다고는 했지만, 실제로는 실리콘 웨이퍼 위에 각종 처리를 해서 필요한 개수의 소자를 새기는 것에 가깝다. 이 과정을 FEOL(Front End Of the Line: 공장 내에서 하는 앞단계)이라 부른다. 그 이후에는 납땜에 해당하는 일을 해야 한다. 하지만 이렇게 작은 소자들을 직접 납땜할 수는 없다. 대신 FEOL에서 사용한 것과 비슷한 기술들을 이용해 매우 미세한 배선을 만들어 수십억 개의 단위 소자들을 서로 연결한다. 이 과정을 BEOL(Back End Of the Line)이라 부른다. 그리고 이 두 과정을 합쳐 웨이퍼 가공 과정인 ‘전공정’이라 부른다.

▲ 그림 2 : 실제 공정의 진행 방향. FEOL영역에는 모스펫이 형성되며, 그 위에는 FEOL의 소자들을 연결해주는, 납땜을 대신하는 금속배선들이 존재한다.(출처:원문보기)

앞으로 배울 산화, 포토, 식각 등 다양한 공정들은 전부 FEOL과 BEOL 과정에서 사용되는 수단일 뿐이다. 각 단계의 목적에 따라서 특정 장비를 사용하는 빈도와 횟수가 달라질 뿐이며, 기본 목적은 똑같다. 미세한 패턴을 아주 많이 만들어내는 것이다.

▲ 그림 3 : 간략화 된 반도체 제조 과정과 관여하는 회사.

참고로 일반적으로 알려져 있는 반도체 8대 공정은 웨이퍼 제조, 산화, 포토, 식각, 증착, 금속 배선, 테스트, 패키징이다. 하지만 위와 같은 분류는 주의해 받아들여야 한다. 위 그림을 보면 알 수 있겠지만, 웨이퍼 제조는 엄밀하게 반도체 공장 내에서 일어나는 일이 아니다. 또한 금속 배선, 패키징, 테스트의 경우 포토, 식각, 증착 등과 같은 단일 공정이 아닌 목적을 가진 특정 작업 전체를 아우르는 범주임을 알 수 있다.

유리 씌우기 : 산화

그림 2에 따르면, 반도체 제조 공정은 맨 아래에서 시작해 위를 향해 쌓아 올리는 방식으로 진행됨을 알 수 있다. 이 과정은 단순히 균일한 물건을 시루떡처럼 쌓아 올리기만 하는 과정은 아니다. 다양한 모양들을 반도체 내부에 균일하게 만들어 내기 위해서는 필요 없는 부분을 깎고, 필요한 부분은 물질을 씌우는 등의 다양한 작업을 해야 한다. 이러한 작업에는 반응성이 높은 다양한 화학 물질이 사용되기 때문에, 화학 물질이 원치 않는 곳에 도달할 경우 반도체 제조가 제대로 되지 않을 수 있다. 그뿐만 아니라, 반도체 내에는 서로 직접 맞닿아 합선돼서는 안 되는 부분들도 존재한다. 따라서 일종의 차단막을 만드는 방법이 있어야만 한다. 여기 사용하는 공정이 산화 공정이다.

산화 공정은 실리콘 웨이퍼 위에 보호막을 씌우는 과정이다. 실리콘(Si)은 산소와 반응하면 유리(SiO₂)가 된다. 우리가 일상생활에서도 알 수 있듯, 유리는 튼튼할 뿐만 아니라 반응성이 적어 각종 음료수는 물론 염산이나 황산 등의 화학 약품을 저장하는 경우에도 사용된다. 이는 반도체에서도 마찬가지다. 산화 공정을 통해 생성된 산화막은 튼튼할 뿐만 아니라 매우 안정적이다. 산화막은 다른 물질의 진입을 차단하므로 이온 주입 공정¹ 등에서 요긴하게 사용된다.

산화막은 의도적으로 전류 흐름을 막기 위해서도 사용된다. 모스펫 구조의 핵심은 게이트이다. 과거의 BJT와 같은 트랜지스터와는 달리, 모스펫은 게이트가 전류 통로(S-D사이 영역)에 직접 맞닿지 않고 ‘간접적’으로 영향력만을 행사한다. 모스펫이 가동 중이 아닐 때는 전력 소모가 적은 이유이다. 여기서 게이트와 전류 통로를 막는 물질도 산화막이 사용되곤 한다. 이를 특별히 게이트 옥사이드(Gate Oxide)라고 부른다. 물론 최근 생산되는 첨단 반도체들의 경우, 반도체 크기가 작아짐으로 인해 게이트 절연막으로 HKMG²등 다양한 대체 물질이 사용되고 있다.

1 이온 주입 공정(Ion Implant) : 반도체 제조 과정에서 순수한 실리콘 웨이퍼를 반도체로 바꾸기 위해 3족이나 5족 이온을 주입하는 과정.

2 HKMG(High-K Metal Gate) : 누설전류를 효과적으로 줄일 수 있도록 개발된 새로운 모스펫 게이트. 기존에 다결정 실리콘(Polysilicon)이던 게이트는 금속으로 대체하고, 산화규소였던 절연막은 고유전체(High-K)로 대체한 트랜지스터.

▲ 그림 4 : 게이트(G)와 전류 통로(S-D 사이)를 가로막는 물질(빨간 네모). 과거에는 이산화규소(SiO₂)를 사용했다.(출처:)

참고로, 반도체 회사가 보호막으로 사용하는 물질은 이산화규소(SiO₂)만 있는 것은 아니다. 필요한 경우 증착의 형태로도 보호막을 씌우거나, 이미 형성된 회로 일부분을 제조 과정에서 활용하기도 한다. 당연하지만 산화는 웨이퍼 물질의 일부를 사용하는 과정이다. 산화 공정 과정에서 웨이퍼를 이루는 실리콘 원자가 상당량 소모된다. 이는 이후에 읽어보게 될 ‘증착’ 과정과 큰 차이점이므로 미리 기억해 두는 것이 좋다.

산화 공정의 종류

산화 공정은 습식(Wet), 건식(Dry), 라디칼(Radical) 크게 3종류로 나눌 수 있다. 습식, 건식이라는 단어는 이후에도 자주 보게 될 것이니 미리 익혀두면 도움이 될 것이다.

▲ 산화의 종류(출처:㈜도서출판한올출판사 [반도체 제조기술의 이해 143p)

Si (고체) + 2H₂O (기체) → SiO₂ (고체) + 2H₂ (기체)

공식을 쓰긴 했지만, 쉽게 말하면 고온의 물을 통해 실리콘 표면을 녹슬게 하는 것과 비슷하다고 생각하면 된다. 습식 공정의 경우 매우 빠른 속도로 실리콘 산화막을 성장시킬 수 있는 반면 산화막의 전체적 균일성, 밀도 등의 특성이 떨어진다. 또한 이 과정에서 부산물인 수소가 생성된다. 특성의 조절이 쉽지 않기 때문에, 성능에 큰 영향을 끼치는 핵심 영역에서 사용하기는 힘들다.

건식 산화의 경우 고온의 산소 기체를 직접 실리콘 웨이퍼에 보내주는 방식이다. 산소 분자는 물 분자보다 무겁기 때문(32 vs 18)^*에 실리콘 웨이퍼 내부로 침투하는 속도가 상대적으로 좀 더 느리다. 따라서 이 방식은 생성 속도가 습식 산화에 비해 느리다. 대신 습식 산화와는 달리 부산물 기체(H₂)가 생기지 않을 뿐만 아니라, 밀도가 높고 균일한 산화막을 생성시킨다. 이러한 특성으로 인해 최종 제품의 성능에 중요한 영향을 미치는 반도체 게이트 부분의 산화막은 건식 산화로 만들어지게 된다.

라디칼 산화는 위에서 살펴본 두 산화와는 다소 다른 과정으로 진행된다. 위의 두 산화 과정은 자연 기체들을 고온으로 올려 에너지를 줌으로써 웨이퍼 표면과 반응시키는 방식이었다. 라디칼 산화는 한 단계를 더 거치는 방식이다. 산소 원자를 고온에서 수소 분자와 섞어주면 라디칼이라는 반응성이 높은 기체로 바뀌는데, 이들을 실리콘 웨이퍼와 반응시키는 방식으로 이뤄진다. 라디칼은 반응성이 높아 건식 산화보다도 훨씬 높은 품질의 산화막을 형성할 수 있다. 불완전하게 반응하는 경우가 적기 때문이다.

*수소(H)의 원자 무게를 1이라고 했을 때 산소(O)의 원자 무게는 16. 산소(O2)의 분자 무게는 32, 물(H2O)의 분자 무게는 16이므로 산소의 분자가 더 무겁다.

▲ 라디칼 산화의 특징(출처:㈜도서출판한올출판사 [반도체 제조기술의 이해 149p])

또한, 라디칼 산화를 이용하면 입체적 구조에서도 산화막의 두께를 균일하게 가져갈 수 있다. 반도체 회사가 사용하는 실리콘 웨이퍼는 단결정으로, 웨이퍼 표면 전체의 실리콘 원자들이 전부 같은 방향의 결정을 가지고 있다.

위 그림에 나오는 100, 110과 같은 숫자가 실리콘 결정의 방향이며, 아래 그림은 실리콘 원자들을 바라본 그림이다. 두 그림을 보면 알 수 있지만, 습식과 건식 산화의 경우 웨이퍼 위 방향(100)의 산화막 형성 속도는 느리고, 옆(110) 방향의 산화 속도는 빠르다. 그 이유는 100방향에 배치된 규소 원자가 더 촘촘하기 때문이다. 원자가 촘촘하게 배치돼 있으면 건식이나 습식 산화 기체가 결정을 뚫고 들어가 반응하기 힘들다. 라디칼 산화의 경우 이런 문제에서 좀 더 자유롭다.

▲ 그림 5 : 밀러 지수에 따른 실리콘 원자들의 모습

그뿐만 아니라 라디칼 산화는 기존에는 산화막을 만들기 힘들었던 모서리 부분에도 균일한 산화막을 생성시키며, 심지어는 반응성이 낮은 편에 속하는 질화규소(Si₃N₄)^*에서도 실리콘 원자를 훔쳐(!) 산화 반응을 일으키기까지 한다.

반도체의 미세화가 어려워짐에 따라서, 반도체 회사들이 반도체에 3차원 구조를 도입하는 일이 많아지고 있다. 이로 인해 균일한 고품질의 막을 만드는 기술은 점점 더 반도체에서 중요해지고 있다. 이는 산화 공정에서도 마찬가지다. 이 글을 읽는 독자들과 예비 후배들이 위 내용을 외우려고 하기 보다는 새로운 기술이 나와야 하는 이유가 무엇인지를 더 염두에 뒀으면 좋겠다.

*질화규소(Si₃N₄) : 질화규소는 보호막 역할을 하는 소재 중 하나로 반도체 소자 제조 과정에서 증착 방식으로 씌워진다.

반도체의 미세화가 어려워짐에 따라서, 반도체 회사들이 반도체에 3차원 구조를 도입하는 일이 많아지고 있다. 이로 인해 균일한 고품질의 막을 만드는 기술은 점점 더 반도체에서 중요해지고 있다. 이는 산화 공정에서도 마찬가지다. 이 글을 읽는 독자들과 예비 후배들이 위 내용을 외우려고 하기 보다는 새로운 기술이 나와야 하는 이유가 무엇인지를 더 염두에 뒀으면 좋겠다.

산화 장비의 간단한 구조

아래의 그림 6은 매우 간단하게 그린 산화 장비의 구조다. 실제로 사용하는 장비들은 훨씬 복잡한 구조임을 기억할 필요가 있다.

▲ 그림 6 : 웨이퍼 산화 장비 구조

장비에는 기체 투입구가 있는데, 해당 주입구에 반응시키고자 하는 기체를 주입해 준다. 주입된 기체는 내부에서 가열되고, 웨이퍼와 만나서 반응하게 된다. 투입된 웨이퍼 안에는 일부 더미 웨이퍼가 끼워져 있다. 더미 웨이퍼는 기기 구조상 발생할 수밖에 없는 기기 양 끝 웨이퍼들의 반응속도 차이를 메워줄 목적으로 투입된다. 또한 그림을 통해 알 수 있겠지만 산화 과정은 처리 속도가 상당히 빠른 축에 속한다. 수십 개의 웨이퍼를 일제히 투입한 뒤 반응시키기 때문이다.

이번 콘텐츠에서는 간단하게 전체 제조 공정 개괄과 산화 공정에 대해서 살펴봤다. 우리는 이해를 돕기 위해 이미 친숙한 단어인 8대 공정이라는 용어를 중심으로 각 공정을 설명하고 있지만, 실제로는 확산(Diffusion) 공정의 한 분야이기도 하며, 온도를 기준으로는 고온 공정으로 분류된다. 다음 편에서는 빛을 이용해 웨이퍼에 전자 회로를 새기는 노광 공정에 대해 알아보고자 한다.

※ 본 칼럼은 반도체/ICT에 관한 인사이트를 제공하는 외부 전문가 칼럼으로, SK하이닉스의 공식 입장과는 다를 수 있습니다.

반도체의 기본 재료가 되는 실리콘 웨이퍼는 제품 생산뿐 아니라 장비의 유지·관리, 성능 테스트 등 다양한 목적으로 사용된다. SK하이닉스는 하루에도 계속 사용되고 버려지는 웨이퍼에서 사회적 가치를 창출하기 위한 방법으로, 웨이퍼 재생(Wafer Regeneration) 기술에 주목했다. 고가의 재료인 웨이퍼를 재활용하면 비용을 절감할 수 있을 뿐 아니라 기존 방식 대비 공정 절차를 줄여 환경 영향도 최소화할 수 있기 때문.

SK하이닉스는 2019년 폐기 웨이퍼 재생 기술 확보를 위해 전담 개발 TF 구성하고 성공적인 업무를 수행했다. 이후 TF를 확대해 재생 웨이퍼(Regen Wafer)의 전사 횡전개 및 표준화를 추진 중이다. 뉴스룸은 이 과정을 함께한 구성원들을 만나 기술 개발 히스토리와 사회적 가치 창출 성과들을 살펴보고, 재생 웨이퍼를 통해 꿈꾸는 미래의 모습을 함께 들어봤다.

SK하이닉스, 메모리 업계 최초 웨이퍼 재생 기술 개발에 도전하다

SK하이닉스에서 사용되는 웨이퍼(Virgin Wafer)는 품질 등급에 따라 크게 프라임(Prime), 테스트(Test), 더미(Dummy) 등으로 분류된다. 최고 품질을 요하는 프라임 웨이퍼는 실제 양산되는 제품에 사용되며, 웨이퍼 중 가장 가격이 비싸다. 그 외 테스트 웨이퍼와 이하 등급의 웨이퍼는 장비 유지·관리와 엔지니어 실험 등의 목적으로 다양하게 사용된다.

제품 양산용으로 투입되는 웨이퍼 외 폐기되는 NPW(Non Pattern Wafer)의 규모는 월평균 수십만 장. 이 중 재활용이 가능한 웨이퍼는 외부 업체로 보내져, 박막을 제거하고 웨이퍼 표면을 연마하는 등 일련의 재생 공정을 거친다. 재생된 웨이퍼 중 품질 및 사용 기준을 만족하는 웨이퍼는 Reclaim Wafer로 다시 반입된다.

▲C&C기반기술 황응림 TL

“매월 SK하이닉스에서 수만 장의 웨이퍼가 외부 업체를 통해 Reclaim Wafer로 재생됩니다. 웨이퍼를 외부 업체로 운송할 때 드는 물류비, 외부 업체가 보유한 공정 기술에 대한 사용료 등이 추가되는 만큼 Reclaim Wafer 자체에 큰 비용이 들었고, 이에 따라 비용 절감에 대한 니즈가 컸습니다. 또한 장비 유지·관리 목적 외 엔지니어의 실험용으로 사용하는 웨이퍼의 경우 높은 품질이 요구돼, 테스트 웨이퍼 급을 구현할 수 있는 기술 확보도 필요했습니다.

이에 2019년 미래기술연구원(이하 미기원)과 제조기술 조직의 월간 교류회에서 웨이퍼 재생 기술에 대한 아이디어가 최초로 제안됐고, SK하이닉스가 보유한 개발 인력과 기술력을 바탕으로 본격적으로 자체 기술 개발을 추진하게 됐습니다”

두께 손실 줄이고 재생 횟수 대폭 개선… 기술력과 팀워크로 탄생한 ‘웨이퍼 재생 기술’

▲(윗줄 왼쪽부터) R&D시스템개발 박찬재 TL, 미래전략 경영혁신 허익 TL, R&D시스템개발 김성진 TL, (아랫줄 왼쪽부터) R&D장비기술 C&C 이대희 TL, C&C기술혁신 조창훈 TL, C&C기반기술 황응림 TL, 시스템 내재화 배미경 TL

SK하이닉스는 기술에 대한 아이디어가 제안된 이후 인프라를 구성하고 본격적인 기술 개발에 돌입해, 이듬해 메모리 업계 최초로 웨이퍼 재생 공정을 개발하는 데 성공했다.

SK하이닉스가 자체 개발한 공정은 1차로 각종 박막(Film)에 증착된 자재를 벗겨낸 뒤(Wet Strip), 베어 웨이퍼(Bare Wafer, 가공 전의 웨이퍼) 표면의 전면에 존재하는 각종 결함(Defect)과 내부의 손상된 레이어를 연마(Polishing) 작업을 통해 제거하는 방식이다. 여기서 가장 핵심은 웨이퍼 표면을 최대한 두께 손실(Loss) 없이 깎아내는 CMP* 기술이다.

* CMP(Chemical Mechanical Polishing, 화학적 기계적 연마): 웨이퍼의 표면을 평탄화하는 공정.

▲C&C기술혁신 조창훈 TL

“기존에 반도체 제조 공정에서 쓰이던 CMP 방식으로는 표면의 제어가 불가능했습니다. 이에 수차례의 시행착오 끝에 연마에 적합한 전용 소재와 부품을 이용한 공정기술을 개발했습니다. 이 과정에서 Reclaim Wafer 대비 두께 손실을 대폭 줄여, 재생 횟수를 기존 수 회에서 수백 회 이상으로 개선했습니다.

또한 개발에 소요되는 자원을 최소화하기 위해 잉여 장비를 활용했습니다. 미기원과 제조기술의 가용 잉여 장비의 모델이 달라 장비 각각의 조건을 확보하는 데 어려움이 있었지만, TF 구성을 통해 유기적으로 협업해 경쟁사 대비 최소의 자원과 인력으로 기술 개발에 성공할 수 있었습니다”

SK하이닉스가 개발한 Regen* Wafer는 사용 후 폐기되는 NPW 표면의 품질을 Wet Strip과 CMP 공정으로 테스트 웨이퍼 수준까지 개질(改質)한 웨이퍼다. 기존의 Reclaim Wafer 대비 Regen Wafer는 연마하는 두께가 달라 100배 더 많은 재생이 가능하다.

* Regen : Regeneration의 약자로, 외부 업체에서 재생하는 Reclaim Wafer와 구분하기 위해 사용.

자체 기술로 탄생한 Regen Wafer는 2020년 미기원에 최초 제공되기 시작했고, 제조기술 공정장비에도 보급돼 사용 범위를 확장하기 시작했다. 이후 미기원과 제조기술의 협업으로 전사 표준화를 이뤄 우시와 청주 캠퍼스, 최근에는 신설 팹(Fab)의 장비 셋업(Set-up) 용도로도 활용되고 있다.

▲시스템 내재화 배미경 TL

이와 더불어 미기원에서는 사용한 웨이퍼 재생을 요청해 Regen Wafer를 수급하기까지의 일련의 과정을 자동화해 엔지니어의 업무 효율을 높이는 불출 시스템을 구축했다.

“엔지니어가 사용한 웨이퍼를 선별해 Regen을 신청하고, Regen 처리된 웨이퍼를 수급하기까지 과정을 자동화하기 위해 기존의 메뉴를 활용해 접근성을 높였습니다. 불출 가능 및 대기 상태를 확인할 수 있는 화면을 추가하고, 시스템 개발 이후 Regen Wafer 활용을 확대하기 위해 사용된 웨이퍼(Dirty Wafer) 공급 확대를 목표로 라인에서 사용되는 모니터링 웨이퍼에 대해서도 웨이퍼 재생 및 불출 시스템을 추가 구축해 현재의 시스템이 완성됐습니다”

비용 절감과 환경 문제 해결을 동시에… 재생 웨이퍼가 창출하는 경제적·사회적 가치

SK하이닉스는 Regen Wafer의 전사 횡전개를 추진하면서 올해 1월부터 기존의 TF를 확대해, 청주, 우시 캠퍼스의 Regen 담당자와 경영혁신, 구매, DT에 이르기까지 유관 부서의 구성원들이 추가로 참여하는 전사 Regen 실행 TF를 운영하고 있다.

Regen Wafer를 팹에 본격적으로 도입하기 시작한 지난해의 경우, 전체 NPW 중 Regen Wafer의 사용 비중이 약 10% 초반에 그쳤지만, 올 연말까지 사용 비중을 점차 늘려나갈 전망이다.

저비용으로 고품질을 구현한 Regen Wafer는 실제로 수백억 원의 경제적, 사회적 가치를 창출하고 있다. 2021년 Regen Wafer 사용으로 100억 원이 넘는 비용을 절감했으며, 향후 수백억 원의 경제적 가치를 창출할 수 있을 것으로 예상하고 있다.

▲미래전략 경영혁신 허익 TL

“Regen Wafer의 생산 비용은 대체 가능한 테스트와 Reclaim Wafer 단가에 비해 저렴합니다. 최근의 전 세계적으로 수급 가능한 웨이퍼가 부족한 환경임을 고려할 때 Regen Wafer의 경제적 가치는 더욱 커질 것으로 전망됩니다”

많은 양의 자원을 소비해 필연적으로 환경적 영향을 고민할 수밖에 없는 반도체 기업 입장에서 웨이퍼 재생 기술은 용수 사용량과 폐수 배출량을 줄일 수 있을 뿐 아니라, 전력 소모를 줄여 이산화탄소 배출량 저감할 수 있어 그만큼 사회적 가치를 창출할 수 있다는 장점이 있다. SV성과관리팀에 따르면 현재 자체 기술로 생산된 Regen Wafer는 장당 약 2만 원의 사회적 가치를 창출하고 있는 것으로 파악된다.

SK하이닉스는 여기서 그치지 않고 보다 효율적인 Regen Wafer 사용을 위해 ‘전사 폐기 웨이퍼 통합 관리 시스템’을 구축하고 있다. 전사 Regen Wafer의 생산과 사용 현황을 NPW 사용 실적과 연계해 실시간으로 모니터링함으로써 자사 웨이퍼 수급 상황을 통합적으로 관리하기 위한 노력이다.

“지난해까지는 Regen 기술 개발과 확대 적용에 집중했다면, Regen Wafer 공급과 수요를 NPW 사용량과 연계해 전사 차원의 폐기 웨이퍼 관리 시스템을 구축함으로써 향후 3년간 862억 원의 경제적 비용과 370억 원의 사회적 비용을 절감하는 것이 목표입니다. 이를 실현하기 위해 오늘도 전사 Regen 실행 TF는 끊임없는 기술 개발을 통해 프라임 웨이퍼급 품질 실현으로 대체 웨이퍼의 적용 범위를 확대해 나가겠습니다”

‘반도체’라고 하면 복잡하고 어렵게만 느껴지지는 않나요? 하지만 대부분 반도체는 일상에서 흔히 볼 수 있는 물질인 ‘실리콘(규소, Silicon, Si)’으로 만듭니다. 접착 고무, 성형 수술 보형물 등으로도 실리콘을 사용하는데요. 실리콘이 어떻게 반도체 원재료가 될 수 있었는지 영하이라이터와 함께 무궁무진한 원소, 실리콘을 알아보겠습니다.

흰 도화지 같은 원소 실리콘

▲ 실리콘(규소, Silicon, Si)

반도체 원료인 실리콘은 지구 지각(地殼)에서 산소 다음으로 풍부한 원소로 전체 지각 질량의 약 27.7%를 차지합니다. 우리 주위에서 보이는 흙, 모래, 돌멩이는 이산화규소(SiO2)로 이뤄지는데, 이 물질을 구성하는 원소가 바로 실리콘입니다.

실리콘은 자원이 풍부해 가격이 저렴하고, 독성이 없어 환경이나 인체에도 무해하죠. 또한, 전기 전도율을 높이려고 불순물 원자를 첨가하는 도핑(Doping)을 통해 전기전도나 전도 형태를 변형 할 수 있는데요. 이처럼 흰 도화지 같은 원소여서 반도체 주원료로 사용합니다.

하지만 처음부터 반도체 주 원료가 실리콘은 아니었습니다. 트랜지스터에서 출발한 초창기에는 게르마늄(Ge)을 주로 사용했는데요. 실리콘이 게르마늄 보다 순도, 결정 구조에서 우수하고, 고온에서 안정한 산화막을 형성하는 등의 장점이 있어 현재 반도체 소자 90% 이상은 실리콘 웨이퍼를 원료로 만들고 있습니다. 미국 캘리포니아 주에 있는 실리콘 밸리(Silicon Valley) 명칭도 실리콘에서 유래했을 정도로 반도체 산업에 중요한 요소인데요. 반도체는 전기가 잘 통하는 도체와 통하지 않는 절연체 중간 정도의 전기 저항이 있는 물질입니다. 얼마나 도핑하는 하느냐에 따라 전도도를 조절할 수 있죠. 특히 금속과 달리 온도를 올리면 저항이 줄어들어 전기 전도도가 높아지는 점이 반도체의 중요한 특성인데요. 실리콘의 어떠한 성격 때문에 이런 특성을 띄는 것일지 지금부터 살펴보겠습니다.

반도체 성질을 구현하는 실리콘

▲ 실리콘 원자의 화학적 결합 구조

실리콘은 주기율표상 4주기 14족에 있습니다. 주기율표는 물질을 이루는 기본 성분인 원소를 양의 전하를 지니고 중성자와 더불어 원자핵을 구성하는 입자인 양성자 수에 따라 배열한 표를 말하는데요. 14족 원소는 공통적으로 원소 가장 바깥 껍질에서 전자로 화학 반응에 참여할 수 있는 전자인 최외각전자 4개를 가집니다. 안정한 상태를 만들기 위해 실리콘은 이웃 원자 4개와 전자를 공유해 공유결합을 형성합니다.

▲ 반도체 도핑

반도체 공정에서 도핑에 사용되는 불순물에 따라 반도체를 N형 반도체(N-type semiconductor)와 P형 반도체(P-type semiconductor)로 나뉩니다. 최외각전자가 4개인 실리콘에 인(P), 바소(As)와 같이 최외각전자가 5개인 15족 원소를 주입하면, 5개 전자 중 4개는 이웃하는 실리콘 원자들과 공유되고, 나머지 1개의 전자는 결합을 이탈해 결정 안을 자유롭게 움직이는 전도 전자가 됩니다. 전도 전자는 음(Negative, N) 전하량을 운반하므로 다수의 이동성 전자와 소수의 정공을 포함하는 반도체가 되는데 이를 N형 반도체라고 합니다. 정공은 가전자가 업거나 빠진 자리의 원자 최웨각 궤도인데요. 반대로 붕소(B), 알루미늄(Al)과 같은 13족 원소를 주입하면 정공이 생성되는데, 정공은 양 전하량(Positive, P)를 운반하기 때문에 다수의 정공, 소수의 이동성 전자를 포함하는 P형 반도체가 됩니다

▲ 절연체, 반도체, 도체의 각 에너지 밴드 갭

물질을 구성하는 기본 입자인 원자 내부 전자는 불연속적인 에너지 준위가 있습니다. 하지만 멀리 있던 원자들이 결정 구조를 형성하면서 서로 가까워지면, 불연속적인 에너지 준위들이 상호작용해 띠 형태의 에너지 밴드(Energy Band)를 형성합니다.

갭으로 나눠 밴드 중 낮은 에너지의 밴드를 가전자대(Valence Band)라고 하고, 높은 에너지의 밴드를 전도대(Conduction Band)라고 합니다. 이 두 밴드의 에너지 차이를 에너지 갭(Energy gap, Eg) 혹은 밴드 갭(Band Gap)이라고 하는데, 이는 각 물질마다 고유한 값이 있습니다. 에너지를 얻어 흥분된 전자가 작은 전자가 자유롭게 움직일 수 있는 에너지대인 전도대로 이동해야 전류를 흐르게 하기 때문에 밴드 갭 크기는 매우 중요합니다.

밴드갭은 절연체의 경우 크기가 커서 전도에 참여하는 자유전자 생성이 어렵고, 반도체의 경우는 중간 정도여서 적절한 에너지를 가하면 전자가 전도대로 전이돼 전도에 참여할 수 있습니다. 또한, 도체일 경우 밴드가 겹쳐서 나타나거나 부분적으로 차 있어 전자가 자유롭게 움직입니다. 특히 반도체는 사용자가 원할 때 전기를 흘려 보낼 수 있어야 해서 적절한 밴드갭을 가지는 것은 중요한데요. 실리콘은 1.1 eV 상당의 적절한 밴드갭을 가져 반도체의 주재료로 사용되고 있습니다.

실리콘 한계를 넘는 실리센 & 실리콘 카바이드

50년의 긴 시간 동안 실리콘이 반도체의 주원료로 사용돼 왔지만, 이는 미세공정에서 한계를 보입니다. 최근 실리콘을 기반으로 하되 이 한계를 극복한 소재에 관한 연구가 활발히 일어나고 있는데요. 이러한 대표적인 신소재로는 실리콘의 2차원 구조인 실리센(Silicene), 실리콘과 탄소의 화합물인 실리콘 카바이드(Silicon Carbide, SiC)가 있습니다.

▲ 실리센 육각형 벌집 모양 구조 (출처 : <네이쳐> 트위터)

실리센이란 실리콘 원자가 육각형 벌집 모양으로 배열된 2차원 물질로 반도체 특성이 있습니다. 탄소 원자 한 개 두께의 매우 얇은 2차원 구조로, 탄소 원자들이 육각형 벌집 모양으로 배열된 그래핀(Graphene)을 본 따 만들어졌는데요. 그래핀은 열, 전기 전도도가 높고 전자 이동 속도가 높으면서도 강도가 매우 강합니다. 또한, 탄성이 뛰어나 늘리거나 구부려도 전기적 성질을 유지해 ‘꿈의 나노물질’이라고 부르죠. 하지만 밴드갭이 없어 반도체로 바로 활용하지 못하는 단점이 있습니다. 그래서 적절한 밴드갭이 있는 실리콘을 그래핀처럼 2차원 벌집 모양의 구조로 배열해본 결과, 실리센은 그래핀의 높은 열, 전기 전도성, 강도성, 유연성을 가졌음을 확인할 수 있었습니다. 전자기기가 점차 소형화를 이루면서 반도체 부품들도 작아지고 있고 최근 플렉서블 디스플레이와 같이 휘어지는 전자기기에 대한 수요가 증가했기 때문에 실리센 활용이 더욱 기대됩니다.

▲ 실리콘 카바이드

또 다른 신소재는 실리콘 카바이드(Silicon Carbide, SiC)입니다. 실리카(SiO2)와 코크스(C)를 전기로에서 2,300도가량의 높은 온도로 가열해 제조하는 인공 화합물입니다. 한국 말로는 탄화규소라고도 부르는데요. 비교적 손쉽게 얻을 수 있는 실리콘 대신 높은 열을 가해 합성해야 하지만 그럼에도 실리콘 카바이드를 사용하는 이유가 있는데요. 실리콘 카바이드의 밴드갭은 3.26 eV 정도로 1.12 eV 정도의 밴드갭을 가지는 실리콘보다 3배나 밴드갭이 넓고, 전자 포화 속도가 2배가 높고, 열전도성은 3배가 높습니다. 또한, 절연 파괴전압이 10배나 높아 높은 전압을 걸어줘도 반도체가 잘 작동하게 합니다. 이러한 실리콘 카바이드의 물성은 고온, 고전압, 고 전류 상태에서 높은 안정성을 보여주기 때문에 전자 제품을 최소한의 전력으로 구동시키는 전력반도체에 사용됩니다. 이뿐만 아니라 모스 경도 9.15 정도로 다이아몬드 못지 않은 강도지만, 이보다 저렴해 여러 산업에 전반적으로 사용하고 있습니다.