칩 설계와 포토마스크 만들기

반도체는 설계도에서 시작된다

웨이퍼 위에 바로 회로를 그리는 일은 없다. 먼저 어떤 칩을 만들지 정해야 한다. 스마트폰용 프로세서인지, 메모리인지, 자동차용 센서인지에 따라 필요한 성능이 달라진다. 처리 속도, 소비 전력, 칩 면적, 가격, 동작 온도 같은 조건도 함께 정한다.

이 요구 조건은 점점 구체적인 설계로 바뀐다. 처음에는 칩이 어떤 일을 어떤 순서로 처리할지 정하는 아키텍처를 만든다. 그다음 논리 회로를 설계한다. 덧셈을 하는 회로, 데이터를 저장하는 회로, 신호를 주고받는 회로가 여기에 포함된다. 마지막으로 이 회로를 실제 실리콘 위에 놓을 수 있도록 레이아웃으로 바꾼다. 레이아웃은 트랜지스터, 배선, 접점의 위치와 모양을 정한 지도다.

EDA 도구로 틀린 설계를 걸러낸다

현대 반도체는 사람이 손으로 하나하나 그릴 수 없을 만큼 복잡하다. 그래서 설계에는 EDA 도구를 사용한다. EDA는 반도체 설계를 돕는 소프트웨어 묶음이다.

설계가 끝나면 바로 제조로 보내지 않는다. 먼저 여러 검증을 거친다. 회로가 의도한 논리대로 동작하는지 확인하고, 신호가 정해진 시간 안에 도착하는지도 분석한다. 이를 타이밍 분석이라고 한다. 신호가 너무 늦게 도착하면 칩은 빠른 속도로 안정적으로 동작할 수 없다.

전력 분석도 중요하다. 같은 기능을 하더라도 전기를 너무 많이 쓰면 발열이 커지고 배터리 사용 시간이 줄어든다. 특히 모바일 칩과 고성능 칩에서는 전력과 열이 설계의 큰 제약이 된다.

또한 제조 규칙을 지켰는지 확인한다. DRC는 배선 간격, 선폭, 층의 겹침 같은 제조 규칙을 검사하는 과정이다. 너무 좁게 그리면 실제 공정에서 무너지거나 서로 붙을 수 있다. LVS는 레이아웃이 원래 회로도와 같은지 비교하는 과정이다. 회로도에는 있었던 연결이 레이아웃에서 빠졌다면 칩은 제대로 동작하지 않는다.

레이아웃은 마스크 데이터로 바뀐다

검증을 통과한 레이아웃은 포토마스크를 만들 수 있는 데이터로 변환된다. 포토마스크는 빛을 통과시키는 부분과 막는 부분이 정해진 유리판이다. 사진을 찍을 때 필름이나 원판이 이미지를 전달하듯, 포토마스크는 회로 패턴을 웨이퍼 위 감광막에 옮긴다.

하지만 레이아웃을 그대로 마스크에 새기면 끝나는 것은 아니다. 실제 빛은 완벽한 직선으로만 움직이지 않는다. 아주 작은 패턴에서는 빛의 번짐과 간섭 때문에 모양이 흐려질 수 있다. 그래서 마스크 데이터에는 보정이 들어간다. 웨이퍼 위에 원하는 모양이 나오도록 마스크의 모양을 미리 조정하는 것이다.

이렇게 준비된 데이터는 마스크 제작 장비로 보내진다. 장비는 석영 유리판 위의 차광막에 매우 정밀한 패턴을 만든다. 이 마스크가 이후 포토리소그래피 공정에서 반복적으로 사용된다.

마스크가 비싼 이유

마스크 한 장은 단순한 판이 아니다. 미세한 회로 패턴을 극도로 정확하게 담아야 하는 핵심 도구다. 작은 결함 하나가 수많은 칩 불량으로 이어질 수 있기 때문에 제작, 검사, 수리가 모두 까다롭다. 특히 최신 공정에서는 패턴의 크기가 빛의 한계에 가까워져 보정과 검사가 더 어려워진다.

또한 칩은 한 층으로 만들어지지 않는다. 트랜지스터를 만들고, 절연막을 쌓고, 구멍을 뚫고, 금속 배선을 여러 층으로 연결한다. 각 단계마다 서로 다른 패턴이 필요하므로 마스크도 여러 장 필요하다. 공정이 미세해지고 구조가 복잡해질수록 필요한 마스크 수는 늘어난다.

결국 반도체 제조는 설계도 없이 시작되지 않는다. 설계는 전자의 길을 정하고, 포토마스크는 그 길을 빛으로 웨이퍼에 옮긴다. 다음 단계부터는 이 설계가 실제 실리콘 웨이퍼 위에 어떻게 구현되는지 살펴보게 된다.