반도체 입문 · 5강
포토마스크와 테이프아웃: 설계가 마스크 세트가 되기까지
검증을 마친 설계를 팹에 넘기는 것을 테이프아웃이라고 하며, 그 뒤에 고치려면 마스크를 다시 만들어야 한다. 설계도를 그대로 찍을 수도 없어서, 먼저 보정한 뒤 마스크 한 세트로 만든다. 마스크는 노광의 원판이어서, 그 위에 찍힐 만한 점 하나, 작은 오차 하나가 모든 웨이퍼의 모든 샷에 그대로 찍힌다. 그래서 극도로 정밀하게 그리고, 극도로 꼼꼼하게 검사해야 한다.
학습 목표
- 테이프아웃 직전에 마지막으로 무엇을 검사하는지, 넘기는 것이 무엇인지, 그리고 테이프아웃 뒤에 고치는 것이 왜 비싸고 느린지 말할 수 있다.
- 마스크가 어떻게 패턴을 웨이퍼에 찍는지, 칩 하나에 왜 마스크가 수십 장 필요한지, 그리고 왜 패턴을 먼저 OPC로 일부러 바꾸고, 바꿀 양은 컴퓨터로 계산해야 하는지 말할 수 있다.
- 마스크를 어떻게 묘화하고 검사·수리하는지, 한 세트가 왜 그렇게 비싼지, 팹에 들어간 뒤에도 왜 다시 검사하는지 안다.
한 단계씩
- 테이프아웃: 층마다의 도형 파일을 넘기고, 팹은 받은 뒤 자체적으로 다시 검사한다.
이유마스크는 이 파일대로 만들어지며, 웨이퍼에 찍히는 모든 층의 패턴이 여기서 나온다.
하지 않으면층 하나를 빠뜨리거나 잘못된 버전을 넘기면, 만들어진 마스크가 검증을 마친 설계와 달라진다.
- 가장 미세한 층들은 먼저 컴퓨터로 패턴을 일부러 바꾸고(OPC), 층 전체를 다시 계산해 검증한다.
이유선이 노광에 쓰는 빛의 파장보다 가늘어서, 그대로 찍으면 모서리는 둥글어지고 선 끝은 짧아진다.
하지 않으면찍힌 결과가 설계와 맞지 않고, 이어져야 할 곳이 이어지지 않는다.
- 마스크 숍에서 크롬을 입히고 포토레지스트를 바른 석영판 위에 전자빔이나 레이저로 작은 구역씩 묘화한다.
이유마스크는 맨 처음의 원판이어서 찍어 낼 원판이 따로 없고, 가장 미세한 패턴은 아주 가늘게 모은 전자빔이 있어야 한다.
하지 않으면묘화하는 동안 장비가 조금만 틀어져도, 웨이퍼에 찍었을 때 이 층이 아래층과 맞지 않는다.
- 현상하고, 드러난 크롬을 식각해 없앤 뒤, 남은 포토레지스트를 제거한다.
이유실제로 빛을 막는 것은 크롬이고, 포토레지스트는 그 과정에서 잠시 쓰는 틀일 뿐이다.
하지 않으면크롬이 덜 식각되면 빛이 통과해야 할 곳이 여전히 막혀 있고, 지나치게 식각하면 선이 가늘어진다.
- 선폭과 위치를 측정하고, 전체를 스캔해 남는 부분과 빠진 부분을 찾아 전자빔이나 이온빔으로 수리한다.
이유마스크에 찍힐 만한 결함이 하나 있으면 모든 웨이퍼의 모든 샷에 찍힌다.
하지 않으면놓친 점 하나가 많은 칩을 한꺼번에 불량으로 만들 수 있다. 수리할 수 없는 마스크는 다시 만들 수밖에 없다.
- 세정하고 한 번 더 검사한 뒤, 패턴 위 몇 mm 높이에 떠 있는 보호막(펠리클)을 붙인다.
이유먼지가 펠리클 위에 떨어지면 패턴에서 너무 멀어 초점이 맞지 않으므로, 대개 찍히지 않는다.
하지 않으면먼지가 패턴 위에 바로 떨어지면 모든 샷에 선명하게 찍힌다.
- 전용 마스크 케이스에 넣어 팹으로 보내고, 입고할 때 다시 스캔하고 번호와 성적서를 대조한다.
이유출고 전에 검사했어도 운송 중에 문제가 생길 수 있다. 펠리클 아래로 들어가 패턴 위에 떨어진 파티클은 그대로 찍힌다.
하지 않으면검사 없이 노광 장비에 올리면 점 하나가 로트마다 계속 찍혀, 많은 칩이 한꺼번에 불량이 된다.
핵심 설명
테이프아웃: 설계를 확정해 마스크 제작으로 넘기는 순간
테이프아웃(tape-out)은 칩 설계를 마치고 검증한 뒤, 최종 설계 파일을 마스크 제작용으로 넘기는 순간이다. 넘기기 전에 설계 소프트웨어로 설계 전체를 한 번 더 검사한다. 도형이 팹의 규칙을 어기지 않는지, 그려진 레이아웃이 원래 회로와 같은지, 신호가 제시간에 도착하는지를 보고, 기능 검증까지 마쳐야 책임자가 승인한다. 이 관문을 사인오프(sign-off)라고 한다. 넘기는 것은 층마다의 도형이며, 이를 모두 겹친 한 세트를 레이아웃이라고 한다. 팹은 이를 받은 뒤 자체적으로 다시 검사한다. 그 뒤에 고치려면 마스크를 다시 만들어야 한다. 비용을 한 번 더 치르고, 웨이퍼도 첫 공정부터 다시 거쳐야 하므로 또 몇 달이 걸린다. 그래서 많은 설계는 칩 곳곳에 예비용 작은 회로를 미리 넣어 둔다. 테이프아웃 뒤에 작은 오류가 발견되면 트랜지스터 위의 배선만 바꿔 그 회로를 연결하고, 해당 배선층 몇 장의 마스크만 다시 만든다. 다만 이렇게 고칠 수 있는 오류는 한정되어 있어, 고칠 것이 많으면 결국 세트 전체를 다시 만들어야 한다.
마스크는 도장과 같다: 층마다 최소 한 장, 한 세트에 수십 장
포토마스크는 노광에 쓰는 ‘원판’이다. 아주 평평한 석영판에 회로 모양으로 그린 금속막(흔히 크롬)을 입힌 것으로, 막이 있는 곳은 빛을 막고 막이 없는 곳은 빛을 통과시킨다. 노광 장비(패턴을 웨이퍼에 찍는 장비)는 빛을 마스크에 통과시킨 뒤 렌즈로 패턴을 축소해(마스크의 패턴은 흔히 칩 위 크기의 4배로 그린다) 한 번에 작은 칸 하나만 찍는다. 이 칸을 샷(노광 영역)이라고 한다. 한 샷을 찍고 나면 웨이퍼를 조금 옮겨 다음 샷을 찍는다. 같은 도장으로 종이 한 장을 가득 찍는 것과 같다. 그래서 마스크에 점 하나가 더 있으면 모든 샷의 같은 위치에 점이 하나씩 더 생긴다. 칩은 한 층씩 쌓아 올리고 층마다 모양이 달라서, 층마다 마스크가 최소 한 장씩 필요하다. 가장 미세한 몇 층은 두세 번에 나누어 찍기도 하므로, 한 세트는 흔히 수십 장에 이른다.
그대로 그리면 모양이 무너지므로, 먼저 OPC로 일부러 바꾼다
마스크는 설계도 그대로 그릴 수 없다. 지금 노광 장비에서 흔히 쓰는 심자외선은 파장이 193nm인데, 칩에서 가장 가는 선은 폭이 수십 nm에 불과하다. 빛은 아주 좁은 틈을 지나면 퍼지는데, 이를 회절이라고 한다. 렌즈는 가장 넓게 퍼진 빛을 받아 내지 못하는데, 하필 가장 미세한 디테일이 그 빛에 담겨 있다. 그래서 굵은 펜으로 섬세한 그림을 따라 그린 것처럼 찍힌다. 직각은 둥글어지고 선 끝은 짧아지며, 너무 짧아지면 이어져야 할 접점에 닿지 못해 회로가 끊긴다. 주변에서 퍼진 빛도 겹쳐 들어온다. 폭이 같은 선이라도 촘촘히 늘어선 것과 홀로 떨어진 것은 찍힌 폭이 다르다. 이것이 이름에 들어 있는 ‘근접’이다. 그래서 마스크를 만들기 전에, 찍을 패턴을 컴퓨터로 일부러 설계와 다르게 바꾼다(가장 미세한 층들을 가장 많이 바꾼다). 이를 OPC(광 근접 보정, optical proximity correction)라고 한다. 활을 쏠 때 바람이 오른쪽으로 분다는 것을 알면 미리 왼쪽을 겨누는 것과 같다. 모서리에 작은 사각형을 덧붙이고, 선 끝을 조금 길게 그리고, 밀도가 다른 선은 폭을 다르게 그린다. 얼마나 바꿀지는 계산으로 정한다. 모든 변을 짧은 구간으로 잘라 각각 어떻게 찍힐지 계산하고, 덜 찍히면 바깥으로 밀고 튀어나오면 안쪽으로 당긴다. 한 구간을 밀면 옆 구간도 따라 변하므로 여러 차례 반복해야 한다. 마지막으로 층 전체를 다시 계산하는데, 초점과 노광량이 조금 어긋났을 때까지 계산해 서로 붙어 버리거나 끊기기 직전인 선을 찾는다. 노광 장비의 상태는 날마다 조금씩 변하기 때문이다.
마스크 숍이 한 획씩 묘화하고 결함은 하나도 남길 수 없으니, 비쌀 수밖에 없다
보정을 마친 패턴은 마스크 숍으로 간다. 마스크는 맨 처음의 원판이어서 찍어 낼 원판이 따로 없으므로, 한 획씩 직접 묘화할 수밖에 없다. 가장 미세한 층은 아주 가늘게 모은 전자빔으로, 그보다 덜 미세한 층은 레이저로도, 크롬을 입히고 포토레지스트(전자빔이나 빛을 받으면 변하는 막)를 바른 석영판 위에 작은 구역씩 묘화한다. 그다음 현상하고 드러난 크롬을 식각해 없앤다. 묘화하는 동안 장비가 조금만 틀어져도, 이 층을 웨이퍼에 찍었을 때 아래층과 맞지 않게 된다. 완성된 마스크는 측정한 뒤 전체를 스캔해 남는 부분과 빠진 부분을 찾고, 아주 가는 전자빔이나 이온빔으로 수리한다. 수리할 수 없으면 다시 만든다. 마지막으로 패턴 위 몇 mm 높이에 떠 있는 보호막(펠리클)을 붙인다. 먼지가 펠리클 위에 떨어지면 초점이 맞지 않아 대개 찍히지 않는다. 극도로 정밀하게 그려야 하고 결함은 하나도 남길 수 없으며, OPC가 덧붙인 모서리가 많을수록 대개 묘화 시간도 길어진다. 게다가 수십 장짜리 한 세트는 이 칩 하나에만 쓸 수 있으니 마스크는 비싸다. 테이프아웃 뒤에야 설계 오류를 발견하면, 마스크를 다시 만드는 데 돈과 시간을 함께 잃는다.
흔한 오해
- 흔히 듣는 말전자빔으로 가장 가는 선을 그릴 수 있으니, 아예 웨이퍼에 직접 그리면 마스크는 필요 없다.
- 실제로는너무 느리다. 마스크는 한 획씩 한 번만 그리면 된다. 그 뒤 노광 장비는 샷마다 빛을 한 번 비출 뿐이어서, 웨이퍼 한 장에 수십에서 백 개가 넘는 샷을 찍어도 빠르고, 같은 마스크 한 장으로 아주 많은 웨이퍼를 찍을 수 있다. 웨이퍼마다 전자빔으로 직접 그려서는 양산을 감당할 수 없다. 그래서 전자빔은 주로 마스크 제작이나 연구, 아주 적은 수량만 만드는 것에 쓰인다.
- 흔히 듣는 말마스크는 출고 전에 검사했으니, 팹에 들어오면 계속 쓸 수 있다.
- 실제로는출고 전에 검사했다고 도착했을 때도 깨끗하다는 보장은 없다. 운송 중에 파티클이 들어갈 수 있어서, 팹은 마스크를 받으면 자체적으로 다시 검사한다. 입고 때 깨끗했다고 계속 깨끗한 것도 아니다. 오래 쓰면 표면에 남은 약간의 화학 물질이 노광 빛과 수분을 만나 안개 같은 결정이 서서히 자라는데, 이를 헤이즈라고 한다. 옮기거나 장비에 올리고 내릴 때마다 파티클이 묻을 수도 있다. 그래서 팹에서는 마스크 엔지니어가 입고 검사를 하고, 일정 기간 쓰면 내려서 다시 스캔한다. 현상 후 웨이퍼 검사에서 모든 샷의 같은 위치에 같은 점이 있다면(반복 결함), 거의 틀림없이 마스크 문제다.
필독
- 테이프아웃(tape-out)이란? 칩 설계를 넘긴 뒤에는 무슨 일이 일어날까
- 포토마스크란? 어떻게 만들고, 한 세트는 왜 그렇게 비쌀까
- OPC란? 포토마스크의 패턴은 왜 칩의 패턴과 다를까
더 읽기
플레이
마스크 엔지니어로 근무해 보기: 마스크에 헤이즈가 끼거나, 점이 하나 생기거나, 스크래치가 났을 때 노광 장비에 계속 올려도 되는지 판단하기 →
생각해 보기
- OPC를 세밀하게 할수록 마스크 데이터가 커지고 제작 기간도 길어지며 비싸진다. 검증 조건이 많을수록 컴퓨터 계산도 오래 걸린다. 하지만 가장 이상적인 조건에서만 맞는 패턴은 양산에서 문제를 일으킬 수 있다. 테이프아웃 일정이 촉박하다면 어떤 층, 어떤 부분에 시간을 쓰겠는가? 그 이유는 무엇인가?
- 마스크의 점 하나는 모든 샷에 찍히므로, 마스크는 일정 기간 쓰면 내려서 검사해야 한다. 너무 자주 검사하면 마스크를 쓸 수 없는 시간이 늘고, 너무 드물게 검사하면 문제가 커진 뒤에야 발견할 수 있다. 직접 정한다면 어떻게 균형을 잡겠는가? 무엇을 보겠는가?
수업 자료: 슬라이드
이 강의의 핵심, 모식도, 장비, 토론 질문을 슬라이드 한 벌로 만들었다. 그대로 화면에 띄워도 되고, 자신의 강의 자료에 넣어도 된다.
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