우리가 메모리를 만드는 방법

메모리가 어떻게 제조되는지 궁금한 적이 있었나요? 여기서는 메모리를 제작 시 고품질의 제품을 보장하기 위해 적용하는 엄격한 프로세스에 대해 자세히 살펴봅니다.

I부: 실리콘에서 완성된 웨이퍼까지

메모리 칩은 각 칩에 장착되어야 하는 다양한 트랜지스터, 레지스터 및 커패시터가 있는 집적 회로입니다. 이러한 집적 회로는 대개 모래에서 추출되는 실리콘으로 시작합니다. 실리콘을 메모리 칩으로 전환하는 과정은 엔지니어, 금속 공학자, 화학자 및 물리학자가 관여하는 엄격하고 세심한 절차입니다.

메모리는 많은 클린 룸 환경을 포함하는 팹이라고하는 대형 설비에서 생산됩니다. 반도체 메모리 칩은 회로가 너무 작아서 작은 먼지로도 손상될 수 있으므로 클린 룸에서 제조됩니다. 보이시에 있는 Micron의 주요 시설은 180만 평방피트에 이르며 1등급 및 10등급 클린 룸을 보유하고 있습니다. 1등급 클린 룸의 경우 1 입방피트의 공기 중에 있는 먼지가 1입자 미만입니다. 그에 비해 깨끗하고 현대적인 병원에는 공기 1 입방피트 당 약 10,000개의 먼지 입자가 있습니다. 클린 룸 내부의 공기는 여과되고 연속적으로 순환됩니다. 생산 직원은 먼지가 없는 공기를 유지하는 데 도움이 되는 특별한 모자, 가운 및 마스크를 착용합니다.

1단계: 실리콘 잉곳

실리콘에서 집적 회로에 이르기까지의 첫 번째 단계는 직경 6~8인치인 실리콘으로 구성된 순수한 단결정 실린더 또는 잉곳을 만드는 것입니다. 일단 실리콘 잉곳이 형성되면 직경이 6인치 또는 12인치이고 두께가 0.025인치 미만인 얇은 고광택 웨이퍼로 얇게 자릅니다. 그런 다음 칩의 회로 요소(트랜지스터, 레지스터 및 커패시터)가 실리콘 웨이퍼에 층으로 구성됩니다. 회로는 실제로 제작되기 전에 시뮬레이션을 통해 개발되고 테스트되며 컴퓨터 시스템에서 완성됩니다. 설계가 완료되면 회로의 각 층에 대해 하나씩 유리 포토마스크가 만들어집니다. 포토마스크는 빛이 정의된 패턴으로 빛나도록 하는 구멍이나 투명 필름이 있는 불투명한 판이며, 이 마스크는 제조 공정의 다음 단계인 포토리소그래피에 필수입니다.

2단계: 포토리소그래피

무균 클린 룸 환경에서, 웨이퍼는 회로에서 요구되는 각각의 마스크에 대해 한 번 반복되는 다단계 포토리소그래피 공정에 노출됩니다 마스크는 (a) 집적 회로를 완성할 트랜지스터, 커패시터, 저항 또는 커넥터의 다른 부분을 정의하고, (b) 장치가 제작되는 각 층의 회로 패턴을 정의하는 데 사용됩니다.

생산 공정 초기에 베어 실리콘 웨이퍼는 얇은 유리 층과 이어서 질화물 층으로 덮여집니다. 유리 층은 층이 얼마나 두꺼워야 하는지에 따라 실리콘 웨이퍼를 1시간 이상 900℃의 온도에서 산소에 노출시킴으로써 형성됩니다. 유리(이산화규소)는 웨이퍼의 실리콘 재료가 산소에 노출될 때 형성됩니다. 고온에서 이 화학 반응(산화라고 함)은 매우 빠른 속도로 발생합니다.

3단계: 포토레지스트

이어서 웨이퍼가 포토레지스트라 불리는 두꺼운 감광성 액체로 균일하게 코팅됩니다. 웨이퍼의 일부는 자외선 광원과 웨이퍼 사이에 마스크를 조심스럽게 정렬시킴으로써 노출용으로 선택됩니다. 마스크의 투명 영역에서 빛이 통과하고 포토레지스트가 노출됩니다.

포토레지스트는 자외선에 노출될 때 화학적 변화를 겪으며, 이때 현상액이 노출된 포토레지스트를 제거하고 웨이퍼 상에 노출되지 않은 부분을 남길 수 있습니다. 회로별로 요구되는 각각의 마스크에 대해 포토리소그래피/포토레지스트 공정이 반복됩니다.

4단계: 에칭

에칭 단계에서, 경화된 포토레지스트에 의해 보호되지 않은 질화물 층의 부분을 제거하기 위해 웨이퍼에 습식 산 또는 플라즈마 건조 가스가 투입됩니다. 이 과정은 정확한 마스크 설계로 웨이퍼 상에 질화물 패턴을 남깁니다. 다른 화학 물질로 경화된 포토레지스트가 제거(세정)되면 이제 수백 개의 메모리 칩이 웨이퍼에 에칭될 수 있습니다.

 

II부: 웨이퍼 적층 및 회로 완성

제조 공정의 I부에서 모든 회로 요소(트랜지스터, 레지스터 및 커패시터)는 초기 마스크 작업 중에 구성되었습니다. 다음 단계에서는 일련의 층을 만들어 이러한 요소들을 서로 연결합니다.

5단계: 알루미늄 적층

회로 요소들을 함께 연결하기 위해 유리의 절연층(BPSG라 불림)이 웨이퍼 상에 증착되고, 접촉 마스크가 각 회로 요소들의 접촉점(또는 창)을 정의하는 데 사용됩니다. 접촉 창이 에칭된 후에 전체 웨이퍼가 스퍼터링 챔버에서 얇은 알루미늄 층으로 덮힙니다. 금속 마스크가 알루미늄 층에 적용되면 얇은 금속 연결 또는 와이어로 이루어진 네트워크가 형성되어 회로의 경로를 만듭니다.

6단계: 패시베이션 적층

이어서 조립 중에 오염되지 않도록 보호하기 위해 전체 웨이퍼가 유리 및 실리콘 질화물의 절연층으로 덮입니다. 이 보호 코팅을 패시베이션 층이라고합니다. 최종 마스크 및 패시베이션 에칭 공정이 이어지고, 본딩 패드라고 불리는 단자로부터 패시베이션 재료가 제거됩니다. 나우프리(now-free) 본딩 패드는 다이를 플라스틱 또는 세라믹 패키지의 금속 핀에 전기적으로 연결하는 데 사용되며, 이제 집적 회로가 완성됩니다.

웨이퍼가 다이 어셈블리로 보내지기 전에 웨이퍼 상의 모든 집적 회로가 테스트됩니다. 작동 및 비작동 칩이 식별되어 컴퓨터 데이터 파일에 매핑됩니다. 다이아몬드 톱은 웨이퍼를 개별 칩으로 절단합니다. 비작동 칩은 폐기되고 나머지는 조립 준비가 됩니다. 이 개별 칩을 다이라고 합니다.

다이가 캡슐화되기 전에 리드 프레임에 장착됩니다. 여기서 얇은 금선이 칩의 본딩 패드를 프레임에 연결하여 다이와 리드 핑거 간에 전기적 경로를 만듭니다.

 

III부: 다이 준비 및 테스트

제조 공정의 II부에서는 집적 회로를 만들고 완성된 웨이퍼를 다이로 절단했습니다. 다음 단계에서는 완성된 모듈에서 사용할 수 있도록 다이를 준비합니다.

7단계: 캡슐화

캡슐화하는 동안 리드 프레임을 금형판에 넣고 가열합니다. 녹은 플라스틱 재료가 각 다이 주위로 가압되어 개별 패키지를 형성합니다. 금형이 열리고 리드 프레임이 압출되어 세정됩니다.

8단계: 전기 도금

전기 도금은 캡슐화된 리드 프레임이 주석과 납 용액에 잠긴 상태에서 "충전"되는 다음 단계 공정입니다. 여기서 주석 및 납 이온이 전기적으로 충전된 리드 프레임에 유인되어 도금된 균일한 증착물을 생성하고, 다이의 전도율을 높이고, 다이를 장착할 수 있도록 깨끗한 표면을 제공합니다.

9단계: 트리밍 및 형성

트리밍 및 형성에서 리드 프레임이 트리밍 및 형성기에 로드됩니다. 여기서 리드가 형성되고 칩이 프레임에서 절단됩니다. 그런 다음 처리 및 최종 테스트를 위한 테스트 영역으로의 운반을 위해 개별 칩이 정전기 방지 튜브에 넣어집니다.

10단계: 번인(burn-in) 테스트

번인 테스트에서는 모든 칩이 가속 스트레스 조건 하에서 어떻게 작동하는지를 테스트합니다. 번인 테스트는 모듈 신뢰성의 중요한 구성 요소입니다. 가속화된 스트레스 조건에서 모듈을 테스트함으로써 모든 배치에서 최소한의 사용 후에 실패할 수 있는 몇 가지 모듈을 걸러 낼 수 있습니다. 번인 테스트를 수행하기 위해 당사의 엔지니어가 번인 테스트용으로 특별히 개발한 업계 최고의 AMBYX 오븐을 사용합니다. 메모리 칩이 번인 테스트를 통과하면 검사되고 봉인되어 조립 준비가 완료됩니다.

11단계: PCB 조립 및 구성

메모리 칩이 만들어진 후에 컴퓨터 마더보드에 연결할 방법이 필요합니다. 인쇄 회로 기판(PCB)은 칩을 시스템 마더보드에 연결하는 방식으로 이 문제를 해결합니다. 이를 위해 칩이 인쇄 회로 기판(PCB)에 장착되고 최종 제품은 완성된 메모리 모듈입니다.

PCB는 여러 개의 동일한 보드로 구성된 어레이 또는 시트로 제작됩니다. 조립 후에 어레이는 개별적인 모듈로 분리됩니다. 이는 초콜릿 바가 작은 사각형으로 분리되는 것과 유사합니다. Micron은 크기에 따라 각 어레이의 총 PCB 수를 다양화함으로써 주어진 양의 원재료로 만들 수 있는 모듈 수를 극대화합니다.

 

IV부: 모듈 조립

제조 공정의 III부에서는 최종 모듈 조립을 위해 다이와 PCB를 준비했습니다. 마지막 단계에서는 모듈 조립 공정을 다룹니다.

12단계: 스크린 인쇄

모듈 설계가 완성되고 PCB가 생산되면 메모리 모듈 조립이 시작됩니다! 조립은 메모리 칩을 PCB에 부착하는 복잡한 솔더링 절차를 필요로 합니다. 이 절차는 스크린 인쇄로 시작됩니다.

스크린 인쇄에서 스텐실은 완성된 PCB 위에 솔더 페이스트를 스크리닝하는 데 사용됩니다. 솔더 페이스트는 칩을 PCB에 고정시키는 끈적한 물질입니다. 스텐실의 사용은 부품(칩)을 부착할 곳에만 솔더 페이스트가 부착되도록 보장합니다. 기준점 덕분에 부착 지점을 쉽게 찾을 수 있습니다. 기준점은 칩을 어디에 배치해야 하는지 판별하는 PCB 마크입니다.

솔더 페이스트가 적용되면 자동화된 "집어서 놓기(pick and place)" 조립 기계가 기준점을 스캔하여 PCB에 칩을 배치할 위치를 판별합니다. 집어서 놓기 기계는 어떤 칩이 어디에 놓이는지 알도록 프로그래밍됩니다. 따라서 기계가 피더에서 칩을 집어 PCB에 놓을 때 칩이 어디에 놓여야 하는지 정확히 압니다. 칩 배치 프로세스는 나머지 모든 칩 및 모듈의 다른 구성 요소에 대해 수행됩니다. 메모리 제조의 모든 단계 중에서 이 과정이 가장 빠릅니다. 단 몇 초 만에 완성된 PCB에 칩이 배치됩니다!

13단계: 납땜 및 부착

이어서 조립된 칩과 보드가 오븐을 통과합니다. 열은 솔더 페이스트를 액체로 녹입니다. 솔더가 냉각되면 응고되어 메모리 칩과 PCB를 영구적으로 결합시킵니다. 녹은 솔더의 표면 장력은이 과정에서 칩이 어긋나는 것을 방지합니다.

일단 칩이 부착되면 어레이가 개별 모듈로 분리됩니다. Micron 팀원은 각 모듈을 시각적으로 검사합니다. 또한, 많은 모듈은 자동화된 X선 장비를 사용하여 추가 검사를 수행함으로써 모든 조인트가 제대로 납땜되도록 보장합니다. 모든 Micron 메모리 모듈은 전세계에서 인정되는 업계 표준인 IPC-A-610 수용 기준을 충족합니다.

14단계: 조립 후 품질 테스트

그런 다음 Micron은 모듈을 테스트하고 태깅합니다. 우리는 맞춤형 장비를 사용하여 성능 및 기능을 자동으로 테스트합니다. 이 과정은 운영자가 실수로 실패한 모듈을 통과 위치에 배치할 가능성을 없애줍니다. 특정 모듈은 사용자의 PC가 인식하고 읽을 수 있는 식별 "인식표(Dog Tag)"로 프로그래밍됩니다.

15단계: 배송

컴퓨터 제조업체와 소비자에게 배송되기 전에 최종 품질 검사를 위해 최종 모듈의 통계적으로 중요한 부분이 무작위로 선택됩니다. 모듈 사용이 승인되면 ESD로부터 안전한 플라스틱 트레이와 가방에 넣어지고 배송 준비가 완료됩니다. 광범위한 제조 공정이 완료되면 메모리를 사용할 수 있습니다. 엄격하게 테스트되고 승인되었습니다!

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