반도체 제조 공정의 구조·열·유체 멀티피직스 CAE 시뮬레이션
산업을 위한 AI와 버추얼 트윈 기술 (6)
반도체 산업은 GAA(gate-all-around), HBM(고대역폭 메모리), 후면 전력 공급망(BSPDN), 유리 기판 등 ‘More-than-Moore’ 기술이 본격화되면서, 공정 자체의 물리적 한계를 극복하기 위한 정밀 시뮬레이션의 중요성이 그 어느 때보다 커지고 있다.
이번 호에서는 아바쿠스(Abaqus)를 중심으로 반도체 전·후 공정에서 발생하는 구조·열·유체 복합(멀티피직스) 문제를 어떻게 가상으로 재현하고 검증하는지, 최근 적용 사례를 통해 현장 엔지니어의 눈높이에서 소개한다.
■ 구승회
다쏘시스템 코리아 SIMULIA 구조 시뮬레이션 팀의 Senior Consultant이다. CAE 스페셜리스트로서 자동차, 항공우주, 전기전자 외 다양한 산업의 고객과 긴밀한 협업을 통해 가상 공학 업무를 협업에 적용하도록 컨설팅 및 기술 지원 업무를 수행하고 있다.
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왜 지금 반도체 공정 시뮬레이션인가?
반도체 산업은 ‘무어의 법칙’에 따라 매 2년마다 집적도를 두 배로 높이며 발전해 왔다. 업계는 2030년까지 1조 개의 트랜지스터를 하나의 패키지에 담는 것을 목표로 하고 있으며, 기술 노드는 이미 나노미터를 넘어 옹스트롬 단위로 진입했다. 2026년 1월 CES에서는 18옹스트롬 공정으로 제작된 제품이 공개되며 1.8나노 수준의 정밀도를 다투는 시대가 본격화되었다.
이러한 초미세화는 필연적으로 열, 응력, 신호 간섭 등 물리적 한계를 수반한다. 기존 핀펫(FinFET) 구조의 한계를 넘어선 GAA 트랜지스터, 전력 배선을 웨이퍼 뒷면에 배치해 효율을 극대화한 BSPDN, 범프 없이 구리 배선을 직접 접합하는 하이브리드 본딩 기반 HBM4E, 그리고 열충격에 취약한 유리기판까지 — 신기술이 도입될수록 설계·공정 복잡도를 사전에 검증할 ‘가상 시뮬레이션(virtual simulation)’의 역할은 선택이 아닌 필수가 되고 있다.
반도체 제조 공정과 구조적 응력 문제
12대 핵심 공정과 멀티피직스
반도체 제조는 웨이퍼 제조, 산화, 포토, 식각, 이온주입, 박막증착, 금속배선, CMP(화학기계연마), EDS, 세정, TSV/다이싱/와이어본딩, 패키징에 이르는 일련의 공정으로 구성된다.(그림 1) 각 공정은 열(온도), 화학 반응, 기계적 접촉·마모, 유체 유동이 복합적으로 얽혀 있어 하나의 물리 현상만으로는 정확한 예측이 어렵다. 이 때문에 아바쿠스와 같은 범용 구조 해석 솔버에 열-화학-유체 연성 기능을 결합한 ‘멀티피직스’ 접근이 표준으로 자리잡고 있다.
그림 1. 반도체 12대 핵심 공정과 각 공정에서 다루어야 할 멀티피직스 요소
열 사이클과 잔류응력
반도체 공정은 수백~수천 ℃까지 오르내리는 열 사이클의 반복이며, 구조적 문제는 대부분 여기서 출발한다. Si, SiO₂, Cu, Low-k 등 서로 다른 재료의 열팽창계수(CTE) 차이는 가열·냉각 시 불균일한 변형을 일으키고, 이는 박막 박리(delamination), 크랙, 휨(warpage), 트랜지스터 성능 변화(strain engineering)로 이어진다. 공정 단계별 대표적인 온도 조건은 <표 1>과 같다.
표 1
전공정 사례 : AM 기능을 이용한 식각·증착 해석
FEOL(front-end-of-line, 전공정)에서는 웨이퍼 세정, 산화막 형성, 포토리소그래피, 도핑, 증착, 식각, 어닐링이 반복되며 재료의 추가와 제거가 끊임없이 일어난다. 아바쿠스는 3D 프린팅(적층제조) 해석에 쓰이던 AM(적층제조) 기능의 요소 활성화/비활성화(*ACTIVATE ELEMENT) 개념을 응용해 이 과정을 모사한다.
산화막 증착·제거(산화/식각 공정) : 요소를 순차적으로 활성화·비활성화하여 재료의 추가·제거를 재현
웨이퍼 도핑(이온 주입 공정) : Amplitude와 Field Variable을 이용해 도핑에 의한 물성 변화를 시간에 따라 반영
구리 증착·제거(금속 배선 공정) : 동일한 방식으로 배선 형성 과정의 응력 이력을 추적
그림 2. 요소 활성화/비활성화 기법을 이용한 산화막-식각-도핑-구리배선 순차 공정 재현(*ACTIVATE ELEMENT, *ABQ_AM.MaterialInput/ Removal)
이 방법의 장점은 각 증착 단계에서 발생하는 초기응력(initial stress)을 설정하고, 공정 전체에 걸친 잔류응력의 변화를 연속적으로 추적할 수 있다는 데 있다. 또한 탄성·소성·크리프· 점성 등 비선형 재료 거동을 온도 의존적으로 정의할 수 있어 FEOL과 BEOL을 하나의 멀티스텝 해석 프레임워크로 통합할 수 있다. 다만 요소 생성·제거 위치가 사용자가 정의한 영역에 한정되기 때문에, 실제 공정에서 나타나는 미세한 형상 변화까지 완벽히 반영하기는 어렵다는 점은 유의해야 한다.
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작성일 : 2026-07-31