반도체 공정(5) – 금속 배선, 테스트, 패키징 과정

반도체 제조 공정은 웨이퍼 위에 미세한 트랜지스터와 회로를 형성하는 과정뿐만 아니라, 칩 내부의 신호를 빠르게 전달하고 보호하는 배선, 테스트, 패키징 과정도 필수적입니다.

• 금속 배선(Metal Interconnection): 트랜지스터와 메모리 셀을 연결하여 전기 신호를 전달하는 미세 금속 배선을 형성하는 공정
• 반도체 테스트(Semiconductor Testing): 생산된 칩이 정상적으로 작동하는지 검사하는 과정
• 패키징(Semiconductor Packaging): 반도체 칩을 외부 환경으로부터 보호하고, 기판(PCB)과 연결하여 사용할 수 있도록 하는 과정

이번 글에서는 금속 배선, 테스트, 패키징 공정의 원리, 주요 기술, 응용 및 최신 트렌드를 자세히 살펴보겠습니다.

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1. 금속 배선(Metal Interconnection) – 반도체 칩 내부의 전기 신호 연결

1) 금속 배선 공정이란?

반도체 칩 내부에는 수십억 개의 트랜지스터와 메모리 셀이 존재하며, 이들을 연결하는 초미세 금속 배선이 필요합니다.

🔹 트랜지스터와 회로를 연결하는 미세한 금속 배선(Interconnection) 형성
🔹 신호 전송 속도를 빠르게 하고, 전력 소모를 최소화하는 것이 핵심
🔹 최근 7nm 이하 공정에서는 Cu(구리) 대신 Ru(루테늄), Co(코발트) 등 새로운 소재 적용

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2) 금속 배선 공정 단계

금속 배선 공정은 다음과 같은 과정을 거쳐 형성됩니다.

1️⃣ 절연막 증착 (Dielectric Deposition)

• 배선이 형성될 층을 만들기 위해 절연막(SiO₂, Low-k 물질) 증착
• 절연막은 전류가 불필요한 곳으로 흐르는 것을 방지하는 역할

2️⃣ 금속 배선 패턴 형성 (Lithography & Etching)

• 포토리소그래피(Photolithography)와 식각(Etching)을 이용해 배선이 들어갈 패턴 형성

3️⃣ 금속 증착 (Metal Deposition)

• 배선에 사용할 구리(Cu), 코발트(Co), 루테늄(Ru) 등의 금속 증착
• 증착 방법: PVD(물리적 증착), CVD(화학적 증착), ALD(원자층 증착) 사용

4️⃣ 화학적 기계 연마 (CMP, Chemical Mechanical Polishing)

• 불필요한 금속을 제거하고 평탄화(Planarization) 진행
• 배선층을 정밀하게 형성하여 다음 공정과 정렬을 맞춤

이 과정을 여러 번 반복하여 **반도체 칩 내의 다층 금속 배선 구조(Multilayer Metal Interconnect)**를 완성합니다.

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3) 최신 금속 배선 기술 트렌드

세대 배선

재료

주요 특징

130nm~90nm	알루미늄(Al)	전력 소모 높고, 속도 제한 있음
65nm~10nm	구리(Cu)	저저항 특성으로 널리 사용
7nm 이하	코발트(Co), 루테늄(Ru)	Cu보다 신호 전송 속도 향상, 저전력 소비

🔹 구리(Cu) → 코발트(Co), 루테늄(Ru) 등으로 소재 변경 중
🔹 3D 패키징과 TSV(Through Silicon Via) 기술 적용 확대
🔹 하이-NA EUV 공정과 함께 초미세 배선 형성 기술 개발 중

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2. 반도체 테스트(Semiconductor Testing) – 생산된 칩의 품질 검사

1) 반도체 테스트 공정이란?

반도체 제조 후 정상적으로 동작하는지 확인하는 테스트 과정이 필요합니다.

🔹 웨이퍼 테스트(Wafer Test) → 패키징 전 칩 단위 테스트
🔹 패키지 테스트(Package Test) → 패키징 후 최종 성능 검사
🔹 불량 칩을 선별하여 최종 출하 품질을 보장

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2) 주요 반도체 테스트 종류

✅ 웨이퍼 테스트 (Wafer Test, Probe Test)

• 웨이퍼 상태에서 개별 칩을 검사하여 불량 여부 판별
• 프로브 카드(Probe Card)를 이용하여 전기적 특성 검사

✅ 패키지 테스트 (Final Test, System-Level Test)

• 패키징 후 칩이 정상적으로 작동하는지 검사
• 전력 소비, 발열, 동작 속도, 신호 전송 속도 측정

✅ 신뢰성 테스트 (Reliability Test)

• 칩의 수명, 환경 변화에 대한 내구성 테스트
• 온도(-40℃~125℃), 습도, 전기적 스트레스 테스트 수행

🔹 불량 칩을 제거하여 반도체 품질을 보장하는 핵심 과정

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3. 반도체 패키징(Semiconductor Packaging) – 칩 보호 및 기판 연결

1) 패키징 공정이란?

패키징은 반도체 칩을 보호하고, 전자 기기와 연결할 수 있도록 설계하는 공정입니다.

🔹 칩이 깨지거나 외부 환경으로부터 손상되는 것을 방지
🔹 기판(PCB)과 연결하여 신호를 원활하게 전달
🔹 발열을 최소화하고 방열 설계(Heat Dissipation) 최적화

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2) 반도체 패키징 기술의 발전

패키징 기술

특징

주요 적용

DIP (Dual In-line Package)	초창기 패키징 방식, 핀(Pin) 사용	구형 반도체
BGA (Ball Grid Array)	기판 하단에 볼(Grid) 형태 전극 배치	고성능 CPU, GPU
3D TSV (Through Silicon Via)	실리콘 관통 전극을 사용하여 3D 적층	3D NAND, HBM 메모리
FOWLP (Fan-Out Wafer Level Package)	기판 없이 직접 패키징	모바일 AP, AI 칩

🔹 2D 패키징 → 3D TSV 패키징으로 변화
🔹 HBM(High Bandwidth Memory), AI 가속기, 서버용 CPU/GPU에서 3D 패키징 필수적
🔹 저전력, 고속 데이터 전송을 위한 첨단 패키징 기술 개발 중

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4. 최신 반도체 공정에서 배선, 테스트, 패키징의 중요성

1) 3D 반도체에서 고급 패키징 필수

• 3D TSV, Chiplet(칩렛) 기반 패키징 기술 확대
• AI 반도체, 고성능 서버용 반도체에서 필수

2) EUV 공정과 초미세 금속 배선 기술 도입

• 코발트(Co), 루테늄(Ru) 같은 저저항 소재 적용 확대
• 하이-NA EUV 기반 초미세 공정 도입

3) 시스템 레벨 테스트 강화

• AI 반도체, 자율주행 반도체 등에서 높은 신뢰성 요구
• 고온, 고습 환경에서도 안정적인 테스트 기술 개발

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5. 결론 – 반도체의 완성을 위한 핵심 공정, 배선, 테스트, 패키징

🔹 금속 배선은 반도체 칩 내부의 신호 전달 속도를 결정하는 핵심 공정
🔹 반도체 테스트는 최종 품질을 보장하고 불량을 최소화하는 필수 과정
🔹 패키징은 반도체를 보호하고 전자기기와 연결하는 중요한 기술
🔹 첨단 반도체 공정에서 3D 패키징, EUV 기반 초미세 배선 기술, 신뢰성 높은 테스트가 필수적

반도체 제조의 마지막 단계에서 배선, 테스트, 패키징은 반도체의 성능과 품질을 결정하는 중요한 공정입니다.

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