테이프아웃(tape-out)이란? 칩 설계를 넘긴 뒤에는 무슨 일이 일어날까

테이프아웃(tape-out, tapeout이라고도 쓴다)은 칩 설계를 마치고 검사까지 끝낸 뒤 최종 설계 파일을 넘겨 포토마스크를 만들게 하는 순간이다. 포토마스크는 회로를 찍는 데 쓰는 ‘필름’이다. 이것이 있어야 팹이 웨이퍼 위에 회로를 한 층씩 만들 수 있다. 테이프아웃 뒤에 설계를 바꾸려면 포토마스크를 다시 만들어야 하는데, 비용도 많이 들고 몇 달을 더 기다려야 한다. 그래서 칩을 설계하는 사람에게 테이프아웃은 프로젝트 전체에서 가장 중요한 날이다.

왜 tape-out이라고 부를까?

흔히 하는 설명은 이렇다. 초창기에는 최종 설계 파일을 종이테이프에, 나중에는 릴에 감긴 자기 테이프에 저장해 넘겼고, 그 이름이 그대로 남았다는 것이다. 그보다 더 전에는 포토마스크의 확대 원도를 투명 필름 위에 검은 테이프를 한 줄씩 붙여 만들었다는 설명도 있다. 두 가지 설명이 모두 전해진다. 이제는 오래전부터 컴퓨터로 파일을 전송하지만, 이름은 바뀌지 않았다.

테이프아웃은 칩의 일생에서 어디쯤일까?

칩은 대략 이렇게 간다. 설계 → 테이프아웃 → 포토마스크 제작 → 웨이퍼 투입 후 팹에서 몇 달 → 패키징, 테스트 → 출하. 테이프아웃은 설계와 제조가 바통을 주고받는 경계선이다. 그 전까지 칩은 컴퓨터 안에만 있고, 그 뒤에야 실물이 되기 시작한다.

설계가 어떻게 한 단계씩 테이프아웃까지 가는지는 ‘칩은 어떻게 설계할까?’, 설계 회사가 팹과 어떻게 협의하고 넘기는지는 ‘IC 설계 회사는 팹과 어떻게 협업할까?’ 참고.

테이프아웃 전후로 무슨 일이 일어날까? 단계별로 보기

1단계: 마지막 검사와 사인오프

• 하는 일: 칩 설계 전용 소프트웨어(EDA란?)로 설계 전체를 다시 한 번 검사한다. 패턴이 팹의 규칙을 어기지 않았는지, 그린 레이아웃이 원래 회로와 같은지, 신호가 제시간에 도착하는지 본다. 기능도 검증해야 한다(칩 검증이란?). 모두 통과하면 책임자가 릴리스를 승인하는데, 이 관문을 사인오프(sign-off)라고 한다.
• 왜 할까: 테이프아웃 뒤에는 설계가 확정되어 마음대로 고칠 수 없다.
• 그렇지 않으면: 오류 하나를 놓치면 몇 달 뒤 칩이 돌아와서야 발견하게 되고, 포토마스크를 다시 만드는 수밖에 없다.

2단계: 설계 파일 넘기기

• 하는 일: 각 층의 패턴을 파일로 정리해 넘긴다. 모든 층의 패턴을 겹쳐 놓은 한 벌을 레이아웃이라고 하며, 나중에 층마다 적어도 한 장의 포토마스크를 만든다.
• 왜 할까: 포토마스크는 이 파일대로 만들고, 이후 웨이퍼에 찍히는 모든 층의 패턴이 여기서 나온다.
• 그렇지 않으면: 한 층을 빠뜨리거나 잘못된 버전을 넘기면, 만들어진 포토마스크가 검사를 통과한 설계와 달라진다.

3단계: 패턴을 ‘찍을 수 있는’ 모양으로 고치기

• 하는 일: 가장 미세한 층들은 패턴을 먼저 컴퓨터로 고치는데, 이를 OPC(optical proximity correction, 광 근접 보정)라고 한다.
• 왜 할까: 칩의 선이 노광에 쓰는 빛의 파장보다 가늘어서, 그대로 찍으면 모서리가 둥글어지고 선 끝이 짧아진다.
• 그렇지 않으면: 찍힌 패턴이 설계와 맞지 않아, 이어져야 할 곳이 이어지지 않는다. ‘OPC란?’ 참고.

4단계: 포토마스크 만들기

• 하는 일: 마스크 숍이 보정한 패턴대로 포토마스크를 한 장씩 그린 뒤 검사하고 수리한다. 층마다 적어도 한 장, 한 세트가 수십 장인 경우가 많다.
• 왜 할까: 웨이퍼의 패턴은 노광 장비가 포토마스크에 빛을 통과시켜 축소해 찍는 것이다.
• 그렇지 않으면: 포토마스크에 결함이 하나 남아 있으면 모든 웨이퍼에 그대로 찍힌다. ‘포토마스크란?’ 참고.

5단계: 웨이퍼 투입

• 하는 일: 포토마스크가 도착하면 팹은 첫 로트의 웨이퍼를 생산 라인에 올린다. 이를 웨이퍼 투입이라고 한다. 새 칩의 처음 몇 로트는 시생산이다.
• 왜 할까: 테이프아웃으로 넘긴 것은 설계일 뿐이고, 투입한 뒤에야 웨이퍼가 실제로 만들어지기 시작한다. 먼저 만들어 봐야 설계와 팹의 공정이 잘 맞는지 알 수 있다.
• 그렇지 않으면: 시생산 없이 곧바로 대량 생산했다가 설계에 오류가 있으면 모든 로트가 헛수고가 된다. 테이프아웃과 웨이퍼 투입의 차이는 ‘웨이퍼 투입이란?’ 참고.

6단계: 몇 달을 기다려 칩을 받는다

• 하는 일: 웨이퍼가 공정을 하나씩 거치며 수백 단계를 지난다. 그 뒤에도 대개 자르고 패키징해야 첫 칩이 설계자의 손에 돌아온다.
• 왜 오래 걸릴까: 칩은 한 층씩 만들고, 공정마다 장비 앞에서 줄을 서서 기다려야 한다. 업계에서는 흔히 팹 안에서만 평균 3개월 정도 걸린다고 한다(웨이퍼 한 장 만드는 데 얼마나 걸릴까?).
• 서두르면: 공정마다 우선 처리해 대기 시간을 줄이더라도 수백 단계 중 하나도 건너뛸 수 없다. 그래서 테이프아웃하는 날 첫 칩이 언제 도착할지가 거의 정해진다.

7단계: 테스트하고, 오류가 있으면 다시 테이프아웃

• 하는 일: 칩을 테스터와 보드에 연결해 사양대로 동작하는지 한 항목씩 확인한다(칩은 어떻게 테스트할까?).
• 왜 할까: 컴퓨터로 아무리 많이 시뮬레이션해도 실제로 만든 칩과 완전히 같지는 않다.
• 그렇지 않으면: 문제가 사용자의 손에 가서야 드러난다. 테스트에서 오류가 나오면 설계를 고쳐 다시 테이프아웃하는데, 이를 리비전(revision)이라고 한다. 흔히 많은 칩이 여러 번의 리비전을 거친다고 한다.

테이프아웃은 왜 큰일일까?

포토마스크가 한번 만들어지면 그 위의 패턴은 바꿀 수 없기 때문이다. 바꾸려면 다시 만드는 수밖에 없다. 다시 만들 때마다 두 가지를 함께 잃는다.

• 돈: 한 세트 수십 장의 포토마스크는 한 장 한 장 극도로 미세하게 그려야 하고 결함이 하나도 남아서는 안 되므로 매우 비싸다(칩은 왜 이렇게 비쌀까?).
• 시간: 새 포토마스크가 완성되기를 기다렸다가 웨이퍼도 첫 공정부터 다시 거쳐야 하니, 또 몇 달이 걸린다.

그래서 테이프아웃 전에 설계팀은 한 번이라도 더 검사하려 하고, 테이프아웃하는 날은 팀이 함께 축하하는 날인 경우가 많다. 또 포토마스크가 비싸기 때문에, 대학 연구나 칩이 소량만 필요한 설계는 다른 설계들과 한 세트의 포토마스크를 함께 써서 같이 테이프아웃하고 같은 로트의 웨이퍼에서 만들어 비용을 나누기도 한다. 이를 멀티 프로젝트 웨이퍼(MPW)라고 한다.

작은 오류도 전부 다시 해야 할까?

꼭 그렇지는 않다. 칩의 맨 아래에는 트랜지스터가 있고, 그 위에 배선이 한 층 한 층 쌓여 있다(칩 속 배선은 어떻게 만들까?). 트랜지스터를 만드는 층들은 패턴이 가장 미세하고 포토마스크도 가장 비싸다.

그래서 많은 설계에서는 테이프아웃 전에 칩 곳곳에 아직 쓰지 않는 작은 예비 회로를 배치해 둔다. 테이프아웃 뒤 작은 오류가 발견되면 트랜지스터 위의 배선 연결만 바꿔 예비 회로를 끌어다 쓴다. 아래층 포토마스크는 그대로 쓰고, 바뀐 배선층 포토마스크 몇 장만 다시 만들면 되므로 한 세트를 통째로 다시 만드는 것보다 싸다. 다만 이렇게 고칠 수 있는 오류에는 한계가 있어서, 고칠 것이 너무 많으면 결국 한 세트를 통째로 다시 만들어야 한다.

fab24hr에서는

게임에는 칩을 설계하는 역할이 없다. 메인 스토리 ‘칩의 일생’은 테이프아웃 뒤에서 시작한다. 메인 스토리를 처음 플레이하면 먼저 프롤로그 ‘테이프아웃’이 나온다. 반년 전으로 거슬러 올라가, 보청기를 만드는 작은 회사가 처음으로 직접 설계한 칩 ‘Glowmere’의 설계가 완성되고 검사를 마친 뒤 팹으로 넘어가 포토마스크 한 세트가 된다. 도감 ‘칩의 일생’ 페이지의 칩 이력서도 첫 칸이 ‘테이프아웃’이고, 종장까지 마치면 마지막 카드의 타임라인도 ‘테이프아웃’에서 시작한다.

챕터 1 ‘12장을 어떻게 나눌까’는 웨이퍼 투입 전날이다. R&D 라인의 개발 PIE 엔지니어가 되어 초도 로트 12장을 어떻게 나눌지 정한다. 챕터 3 ‘불량의 모양’은 웨이퍼 투입 후 한두 달 뒤로, 다음 버전 포토마스크가 다음 주에 확정된다. 칩 안에 자체 TEG를 넣을 자리 두 칸을 남길지 정해야 하는데, 칩의 면적은 고객의 것이다.

게임 속 회사, 칩, 인물은 모두 허구다. 테이프아웃이 무엇인지, 그 전후에 어떤 단계가 있는지는 공개된 일반 자료를 바탕으로 썼으며, 실제로는 회사마다 방식이 다르다. 다른 업계 용어는 ‘반도체 공장 전문 용어, 쉬운 말로 풀이’에서 찾아볼 수 있다.