TSV(실리콘 관통 전극)란? 칩을 위아래로 쌓고 관통해 연결하는 방법

TSV는 through-silicon via의 줄임말로, 한국어로는 실리콘 관통 전극(실리콘 관통 비아라고도 한다)이라고 한다. 실리콘 칩에 아주 가는 구멍을 관통시키고 그 안에 금속을 채워, 신호와 전원이 칩의 한쪽 면에서 반대쪽 면으로 곧장 통하게 한 것이다. 이것이 있어야 칩을 위아래로 쌓아 가운데로 바로 연결할 수 있다. 뉴스에서 말하는 3D IC, 3D 패키징의 상당수가 이 기술에 기대고 있다.

칩은 원래 어디로 외부와 연결될까?

칩은 웨이퍼의 앞면에 만든다. 회로도, 외부와 전기를 주고받고 신호를 전달하는 작은 금속 조각(접점)도 모두 앞면에 있고, 뒷면은 그냥 통짜 실리콘이다. 외부와 연결하는 방법은 흔히 두 가지다. 와이어 본딩은 칩 앞면을 위로 두고 가는 와이어를 네 변에서 한 가닥씩 끌어낸다(와이어 본딩이란? 참고). 플립칩은 칩을 뒤집어 앞면 전체에 깔린 작은 범프를 한 번에 납땜한다(플립칩이란? 참고).

하지만 두 방식 모두 앞면만 쓰고, 뒷면에는 출구가 없다. 칩 여러 층을 쌓으면 위쪽 층의 신호는 대부분 가장자리에서 선을 끌어내 아래로 돌아 내려가야 한다.

왜 관통시켜야 할까?

와이어 본딩으로 칩을 쌓으면 층마다 접점이 가장자리에 드러나 있어야 하고, 선이 각 층에서 기판까지 돌아 내려가므로 길이 길다. 접점은 네 변에만 둘 수 있어 개수도 제한된다.

실리콘 관통 전극은 칩 가운데를 곧장 아래로 관통한다. 길은 칩 한 층의 두께만큼밖에 되지 않고, 구멍이 네 변에 몰려 있을 필요도 없어 접점을 훨씬 많이 둘 수 있다. 길이 짧으면 신호가 빨리 가고 전력도 덜 든다.

AI 칩 옆에 쌓아 올린 메모리는 스택 하나에 데이터선이 1,000개가 넘는데, 바로 이 구멍들을 통해 한 층씩 아래로 연결된다(뉴스에서 말하는 ‘HBM’이란? 참고). 칩을 인터포저 위에 나란히 놓을 때도 인터포저 안에 흔히 실리콘 관통 전극이 있어, 신호를 아래쪽 기판으로 이어 준다(뉴스에 나오는 ‘첨단 패키징’이란? 참고).

실리콘 관통 전극은 얼마나 가늘고 깊을까?

일반적인 자료에 따르면 대략 이렇다. 구멍의 폭은 수 마이크로미터에서 십수 마이크로미터(1마이크로미터는 1,000분의 1밀리미터)로 머리카락보다 훨씬 가늘고, 깊이는 수십 마이크로미터에서 100마이크로미터 안팎이다. 깊이가 폭의 10배쯤 되는 경우가 많아, 땅에 좁고 깊은 우물을 판 것과 비슷하다.

실리콘 관통 전극은 어떻게 만들까? 단계별로 보기

구멍은 일찍 팔 수도, 늦게 팔 수도 있다. 흔히 트랜지스터를 다 만든 뒤, 그 위의 배선을 만들기 전에 판다. 일반적인 설명으로는 대략 다섯 단계다.

1단계: 실리콘에 깊고 가는 구멍을 식각한다

포토 공정으로 구멍의 위치를 찍은 다음, 플라즈마 건식 식각으로 파 내려간다. 흔히 조금 식각하고, 측벽에 보호막을 입히고, 다시 조금 식각하는 과정을 여러 번 번갈아 되풀이한다(식각이란? 참고). 그래야 구멍이 곧고 깊게 파여 옆 회로의 자리를 더 차지하지 않는다. 이때 구멍 바닥은 아직 실리콘 속에 묻혀 있고 관통되지 않았다. 식각이 옆으로도 파고들면 구멍 벽이 옆으로 움푹 패어, 뒤에 입히는 막이 고르게 덮이지 않고 구리도 채우기 어려워진다.

2단계: 구멍 벽에 절연막과 배리어층을 먼저 입힌다

구멍 벽에 먼저 절연 박막(예를 들어 이산화규소)을 입히고, 이어서 아주 얇은 배리어층(흔히 탄탈럼, 타이타늄 같은 금속이나 그 질화물)을 입힌 뒤, 마지막으로 전기도금의 ‘씨앗’, 곧 시드층이 될 아주 얇은 구리층을 입힌다. 실리콘 자체도 전기가 조금 통하는 데다, 구리 원자는 잘 파고들어 실리콘 속으로 들어가면 트랜지스터에 누설 전류를 일으키기 때문이다(배리어층의 원리는 칩 속 배선은 어떻게 만들까? 참고). 이 두 층이 없으면 신호가 실리콘으로 새어 나가고, 옆의 트랜지스터도 서서히 나빠진다.

3단계: 전기도금으로 구멍을 구리로 채운다

웨이퍼를 도금액에 담그고 전류를 흘리면 구리가 시드층에서 자라나 구멍 바닥부터 위로 채워 올라온다. 표면에 남은 구리는 CMP로 갈아 내고, 그 위로 평소처럼 배선을 만든다. 구리는 전기가 잘 통하고, 바닥부터 위로 자라야 안에 빈틈이 남지 않는다. 구멍 입구가 먼저 막히면 안에 보이드가 남아 전기가 잘 흐르지 않고, 나중에 열을 받으면 그곳부터 망가지기 쉽다.

4단계: 웨이퍼 뒷면을 갈아 얇게 만들고, 구멍 바닥을 드러낸다

먼저 앞면을 지지용으로 쓰는 다른 웨이퍼나 유리판에 붙이고, 뒷면을 연삭 휠로 간 다음, CMP와 식각으로 조금씩 더 깎아 내 수십 마이크로미터만 남긴다. 그러면 구리 기둥의 바닥이 드러난다(CMP란? 참고). 웨이퍼는 원래 두께가 1밀리미터가 채 안 되지만 구멍은 수십 마이크로미터 깊이밖에 안 되므로, 갈아 내지 않으면 관통되지 않는다. 이렇게 얇은 실리콘은 스스로 버티지 못하므로 지지판에 붙인 채로 뒷면 접점까지 만든 다음 떼어 내고 자른다. 덜 갈면 드러나지 않는 구멍이 생기고, 너무 갈거나 고르게 갈지 못하면 구리 기둥이 상한다.

5단계: 쌓아 올리고, 정렬해 연결한다

칩을 한 층씩 쌓으면서, 층마다 뒷면에 드러난 구리 기둥을 아래층의 접점에 맞춘다. 흔히 아주 작은 범프(대개 구리 기둥 위에 솔더를 조금 올린 것)를 열과 압력으로 접합하는데, 이런 마이크로 범프의 간격은 수십 마이크로미터 정도다. 정확히 맞으면 신호와 전원이 한 층씩 아래로 통하고, 조금만 어긋나도 연결되지 않거나 옆 접점에 붙어 버린다.

하이브리드 본딩이란?

범프를 쓰지 않는 또 다른 연결 방식이 있는데, 이를 하이브리드 본딩이라고 한다.

1. 아주 평평하게 간다: 붙일 양쪽 면을 모두 CMP로 높낮이 차이가 1나노미터도 안 되게, 원자 몇 개 높이 정도로 갈아 낸다. 표면에는 구리 접점과 그 옆의 절연막이 드러나는데, 구리는 일부러 아주 조금, 몇 나노미터만큼 낮게 만든다.
2. 상온에서 붙인다: 표면을 처리한 뒤 정렬해 맞붙이면, 절연막과 절연막이 상온에서 서로 끌어당겨 달라붙는다.
3. 가열해 연결한다: 이어서 수백 도로 가열한다. 구리는 열을 받으면 절연막보다 더 많이 팽창해 그 작은 틈을 메우고, 구리와 구리가 하나로 이어진다.

구리는 구리끼리, 절연막은 절연막끼리 동시에 붙기 때문에 ‘하이브리드’라고 한다. 솔더 볼이 없으니 접점을 더 작고 촘촘하게 만들 수 있어, 간격을 10마이크로미터 이하까지 줄일 수 있다. 가정한 숫자로 계산해 보자. 간격이 40마이크로미터면 1제곱밀리미터에 25 × 25 = 625개가 들어간다. 간격이 10마이크로미터면 100 × 100 = 10,000개로, 16배가 된다.

대가는 아주 평평하고 아주 깨끗해야 한다는 것이다. 눈에 보이지 않을 만큼 작은 파티클 하나가 사이에 끼면 그 주변의 넓은 면적이 붙지 않는다. 연구에 따르면 붙지 않는 면적은 파티클보다 백 배 넘게 클 수 있다.

쌓거나 나란히 놓는 작은 칩들은 흔히 따로 설계하고 따로 만든다. 서로 연결하려면 양쪽이 먼저 공통의 인터페이스를 갖춰, 접점을 어떻게 배치하고 신호를 어떻게 보낼지 약속해 두어야 한다(칩렛(chiplet)이란? 참고).

실리콘 관통 전극은 왜 만들기 어려울까?

• 구멍을 빈틈없이 채우기 어렵다: 깊고 가늘어서 모든 막이 구멍 바닥까지 닿아야 하고, 구리는 바닥부터 위로 자라야 한다. 어디 한 곳이라도 고르지 않으면 보이드가 남는다.
• 구리와 실리콘은 열을 받으면 팽창하는 정도가 다르다: 일반적인 자료에 따르면 구리의 열팽창 비율은 실리콘의 약 6~7배다. 뜨거워질 때마다 구리 기둥이 주변 실리콘을 밀어내고, 구멍 입구 밖으로 조금 밀려 나와 위쪽 배선을 누를 수도 있다. 옆의 트랜지스터도 밀려서 특성이 달라지므로, 구멍 둘레에는 흔히 트랜지스터를 두지 않는 작은 고리 모양의 영역을 남긴다.
• 웨이퍼를 아주 얇게 갈아야 한다: 수십 마이크로미터만 남은 실리콘은 쉽게 휘고 쉽게 깨져서 정렬도 접합도 더 어려워진다. 후면 전력 공급도 뒷면을 갈아 얇게 만드는데, 이쪽은 훨씬 더 얇게 간다.
• 많이 쌓을수록 테스트가 어렵다: 층마다 쌓기 전에 먼저 테스트해야 하지만(웨이퍼 테스트), 얇게 간 웨이퍼는 무척 약하고 프로브를 댈 수 있는 접점도 적다. 다 쌓은 뒤에는 가운데 층에 프로브가 닿지 않는다. 한 층만 불량이어도 스택 전체를 쓸 수 없다.
• 열이 빠져나가지 못한다: 가운데에 낀 칩은 위아래가 막혀 있어서, 열이 다른 칩을 통과해야만 빠져나갈 수 있다.

fab24hr에서는

게임에는 실리콘 관통 전극도, 쌓아 올린 칩도 없다. 메인 스토리 ‘칩의 일생’의 보청기 칩 ‘Glowmere’는 후공정 공장에서 SiP 소형 모듈에 들어가는데, 모듈 안의 칩은 하나뿐이고 와이어 본딩으로 가장자리에서 연결된다.

가장 가까운 것은 후공정 공장의 패키징 라인이다. ‘출근’을 누르고 ‘직장인의 하루’를 고른 뒤, ‘오늘 나는’ 카드에서 ‘후공정 공장’을 누르고 좌우로 넘겨 패키징 공정 엔지니어를 고르면 다이싱, 다이 본딩, 와이어 본딩, 몰딩 공정을 맡게 된다. 다이싱 장비 설명에는 웨이퍼를 먼저 뒷면부터 갈아 얇게 만든 뒤 자른다고 적혀 있지만, 구멍을 드러내기 위해서는 아니다. 와이어 본더 설명에는 칩 하나에 와이어가 십몇 가닥이라 접점이 많지 않아서 가장자리에서 연결하는 것으로 충분하다고 적혀 있다.

하이브리드 본딩에 필요한 ‘평탄함’도 CMP로 만든다. 같은 카드에서 ‘개발 라인’을 누르고 넘겨 개발 공정 엔지니어를 고른 뒤, 이름 아래의 ‘CMP’를 누르면 CMP 개발 공정 엔지니어가 된다(Beta 표시가 붙어 있다). 오전 근무에는 새 콘택트의 금속을 옆 절연막과 딱 같은 높이가 되도록 갈아야 한다.

게임 속 회사, 칩, 인물, 장비는 모두 가상이다. 실리콘 관통 전극과 하이브리드 본딩은 공개된 일반 자료를 바탕으로 썼으며 어느 한 회사의 방식을 나타내지 않는다. 접점 수를 계산할 때 쓴 간격은 가정한 숫자다. 다른 전문 용어는 반도체 공장 전문 용어, 쉬운 말로 풀이에서 찾아볼 수 있다.