오늘 끝나면
반도체는 어떻게 만들어지나
- ✓모래에서 뽑은 실리콘이 웨이퍼가 되고, 그 위에 다이 수백 개가 찍히는 흐름을 설명할 수 있다
- ✓포토리소그래피로 빛이 회로 패턴을 새기는 과정을 사진 인화에 빗대 한 줄로 말할 수 있다
- ✓더 짧은 파장인 EUV가 더 가는 선을 그리는 이유와, 다이 크기·결함이 수율에 미치는 영향을 댈 수 있다
실습 미션
오른쪽에서 결함 밀도와 다이 크기를 바꿔 수율이 떨어지는 것을 보고, EUV를 켜서 수율이 회복되는 것을 확인한다.
성공 조건
- □다이 크기를 키우면 빨강 다이가 늘고 수율%가 떨어지는 것을 확인한다
- □결함 밀도를 올리면 불량 다이가 늘어 수율이 내려가는 것을 관찰한다
- □EUV를 켜면 다이가 작아져 같은 웨이퍼에 더 많이, 더 살아남아 수율이 오르는 것을 확인한다
웨이퍼 · 빛으로 새기기 · EUV · 수율
반도체는 어떻게 만들어지나
설계 도면을 실리콘 원판에 빛으로 새겨 실물 칩으로 찍어낸다. 결함 맞은 다이는 버려지고, 양품 비율인 수율이 곧 돈이다.
도면은 칩이 아니다, 실리콘에 새겨야 한다
설계 도면은 그 자체로는 칩이 아니다. 종이 위 그림일 뿐이다.
칩의 바탕은 모래에서 뽑은 실리콘이다. 녹여 굳혀 거대한 원기둥인 잉곳으로 키우고, 햄처럼 얇게 썰면 거울처럼 매끈한 원판이 나온다. 이것이 웨이퍼다.
웨이퍼 한 장에 같은 칩, 곧 다이가 수백에서 수천 개 들어간다. 한 번에 통째로 찍어 단가를 낮추는 것이 핵심이다.
1958년 잭 킬비가 한 조각 위에 회로를 통째로 만든 뒤로, 칩 제조는 부품 조립이 아니라 실리콘 위 인쇄가 됐다.
1/4 · 모래 (Sand)
규소(실리콘)를 모래에서 뽑음
빛으로 회로를 새긴다, 포토리소그래피
웨이퍼 위에 회로를 옮기는 방법이 빛이다. 사진 인화와 똑같은 원리다.
표면에 빛에 반응하는 약인 포토레지스트를 얇게 바른다. 회로 도면이 그려진 마스크에 빛을 쏘면, 그 그림자가 웨이퍼에 그대로 찍힌다.
빛 맞은 곳만 약이 변해 씻겨나가고, 드러난 자리를 깎는 식각이나 채우는 증착을 한다. 빛으로 그림을 그리고 화학으로 깎는 한 사이클이다.
이 노광과 현상, 식각을 수십에서 수백 층 반복해 입체 회로를 쌓는다. 손은 한 번도 안 닿고, 빛과 화학만으로 머리카락보다 수만 배 가는 선을 그린다.
1/4 · 도포
웨이퍼 위에 빛에 반응하는 약(포토레지스트)을 얇게 바름
선을 더 가늘게, 파장과 EUV
회로를 더 잘게 새기려면 더 짧은 파장의 빛이 필요하다. 파장이 길면 가는 선이 뭉개진다. 굵은 붓으로 잔글씨를 못 쓰는 것과 같다.
오래는 193nm 자외선을 썼고, 물에 통과시키고 같은 패턴을 두세 번 겹쳐 찍어 한계를 늘려왔다.
극자외선인 EUV는 파장 13.5nm짜리 빛이다. 193nm보다 14배 짧아 한 번에 훨씬 가는 선을 그린다.
EUV 노광기는 네덜란드 ASML이 사실상 독점한다. 한 대 값이 수천억 원이고, TSMC와 삼성이 이 장비로 최신 칩을 찍는다. 미세화가 곧 성능과 전력 경쟁력이다.
아직 번짐이 남음. 더 짧은 EUV(13.5nm)로 끌면 선이 또렷해짐.
결함과 수율, 양품 비율이 돈이다
웨이퍼 위 다이가 다 살아남지는 않는다. 공정 중 먼지 한 톨, 흠집 하나가 다이를 망친다.
결함 맞은 다이는 그대로 불량이다. 수율은 만든 다이 중 양품의 비율이다.
다이가 크면 결함을 끌어안을 확률이 올라 수율이 떨어진다. 큰 그물일수록 돌멩이를 더 잘 거르는 것과 같다.
같은 웨이퍼라도 수율이 낮으면 버린 칩값을 양품에 얹어야 한다. 미세화로 다이를 줄이면 한 결함이 망치는 칩이 적어져 수율이 오른다. 그래서 수율 몇 %가 곧 수익이다.
결함은 양쪽 다 6개로 같음. 그런데 큰 다이는 한 결함이 넓은 칸을 통째로 버려 수율이 낮음. 다이를 작게 새기면 결함 하나가 망치는 칸이 작아져 양품이 더 살아남음, 그래서 수율 몇 %가 곧 돈임.
직접 웨이퍼 수율 돌려보기
오른쪽에서 결함 밀도와 다이 크기를 직접 움직여 수율%가 어떻게 변하는지 본다.
다이를 키우면 불량을 뜻하는 빨강이 늘고 수율이 떨어진다. 결함 밀도를 올려도 같다.
EUV를 켜면 같은 칩이 더 작게 새겨져 다이가 줄고, 결함 하나가 망치는 칩이 적어진다.
그 결과 같은 웨이퍼에서 더 많이, 더 살아남아 수율이 회복된다. 이것이 미세화가 곧 돈인 이유다.
웨이퍼에 뿌려진 먼지·흠집 개수임. 많을수록 망가지는 다이도 늘어남.
칩 하나가 차지하는 면적임. 크면 결함을 끌어안을 확률이 올라 수율이 떨어짐.
다이를 키우거나 결함을 늘리면 빨강이 늘고 수율이 떨어짐. EUV를 켜서 미세화하면 회복됨. 수율이 곧 돈임.