미세공정에서 마주하는 걸림돌 : Thermal-Induced Stress

반도체 산업은 고도의 기술력을 이용해 대량생산을 해야 수지가 맞는 산업이다.

수많은 반도체 업체들은 인류과학의 정점에 달하는 기술을 반도체에 적용하고 있다.

삼성전자는 2022년 3 나노의 반도체를 양산성공했다.

하지만 삼성전자 주식을 가지고 있는 전 국민이 알고 있듯이.. 미세선폭을 가진 반도체는 양산수율이 좋지 못한다.

수많은 공정의 어려움이 있겠지만... 가장 기본적인 물리혈상인 열이 큰 복병이 되고 있다.

삼성전자의 GAA 공정을 이용한 3나노 반도체 출처 : 삼성전자

물리법칙은 미세공정을 싫어한다

나노에서 옴스트롱 스케일의 공정으로 넘어오면서 전공정과 후공정에서의 칩설계 및 제조는 물리적 한계에 맞서고 있다. 트랜지스터의 밀도는 높아지고 구조는 작아지고 다이가 얇아지면서 열이라는 근원적인 물리적 한계를 겪고 있다. 칩을 생산하고 패키징하는 과정에서 열로 인한 손상과 변형이 무시할 수 없는 설계과 제작상의 문제가 되고있기 때문이다. 

 

만들어지는 칩의 선폭도 줄어들고 있고 구조상으로도 소자간 거리가 가까워지고 있다.

(GAA를 보면 FinFET보다 게이트간격이 좁아졌다)

줄어든 선폭으로 만든 칩의 패키징도 3D로 촘촘하게 쌓고있다.

(아래의 3D-IC를 보면 트렌지스터 간 간격이 수백 nm단위로 줄어들었다)

3D 패키징 환경의 변화 갈수록 밀도가 높아지고 있다. 출처 : IMEC

열 : 입자의 움직임!

열! 우리는 열이라는 개념을 평생 경험하기 때문에 열에 익숙하지만 열의 정의에 대해서는 잘 생각하지 못했을 것이다.

물리적으로 열은 입자의 무작위적인 움직임 그자체를 열이라고 한다.

저항에 전류를 흘려보내면 열이 발생한다.
왜 그럴까? 저항을 이루고 있는 물질은 전도체이기 때문에 전자들이 전도띠라는 에너지영역에서 자유롭게 움직일 수 있다. 자유롭게 움직일 수 있다고 해서 아무 일도 일어나지 않는 것은 아니다. 놀이터에 아이들 수백 명이 자유롭게 움직인다고 생각해 보자. 아이들 각자는 자유롭게 움직이지만 놀이터에 있는 놀이기구는 아이들이 수도 없이 기어오르고 흔들거리면서 따끈따끈 해질 것이다. 저항에서 발생하는 열은 전자의 이동으로 인해 진동하는 이온 때문이다. 이온은 원자배열에 따라 박혀있지만 전자의 흐름으로 인해 계속 부딪히면서 에너지를 전달받고 이로 인해 열이 발생한다.

온도가 높다는건 계를 이루는 입자들의 운동에너지가 높은 상태인것이다.

나노구조체에서의 열

반도체를 이루는 가장 기본단위인 MOSFET가 작동하는 순간을 생각해보자

 

1. Metal로 이뤄진 게이트로 전압이 가해진다
2. Oxide 유전체에 전압이 가해지면서 유전분극이 일어난다
3. 유전분극으로 인해 전자가 끌려오면서 실리콘에 전자 채널이 만들어지면서 소스와 드레인 사이에 전류가 흐를 수 있게 된다.

게이트 전압을 주면 MOSFET에 전자채널이 유도되어 전류가 흐른다. 출처 : 내가 그린 그림

크기가 작아질수록 동작에 필요한 전류값이 작아지기에 전력소모량은 줄어들게 된다. 하지만 소자 간 거리가 수 나노미터로 줄어들게 되면 소자에서 발생한 열을 가져가줄 입자의 수가 급속도로 줄어들게 된다.
앞서 열이라는 것은 입자의 움직임이라고 했다. 움직임으로 인한 입자의 운동에너지가 열이다. 열이 전달되기 위해선 입자가 있어야 한다. 입자 간의 충돌로 운동에너지를 전달하면서 에너지를 나눠가지다 보면 열이 줄어든다. 문제는 소자 간 간격이 나노미터단위로 줄어들면서 사이에 존재할 수 있는 입자의 개수가 줄어든다는 점이다.
섭씨 0도 1 기압에서 기체 1몰의 부피는 22.4L(2240 cm^3)이다.
동일 조건에서 1 nm^3에서 기체의 입자의 개수는 무려 0.268개이다. 즉 1개가 되지 않는다.
칩을 적층 했을 경우 가장 아래층의 소자의 열을 가져갈 입자가 단 하나도 존재하기가 힘들다.

금속의 경우 전자가 자유롭게 이동하면서 열에너지를 전달해 주지만 유전체의 경우 열이 계속 쌓이기만 할 것이다.

제조공정에서의 열

실리콘은 은근 열에 강하다. 돌이니까 열을 받는다고 해서 쉽게 늘어나거나 줄어들지 않는다.
실리콘 위에 올라가는 SiO2나 SiN SiGe 등등도 실리콘의 레티스에 맞게 이쁘게 배열되어서 열로 인해 늘어날 영향은 거의 없다.
하지만 패키징을 할 때 쓰이는 까만 껍데기와 PCB 등은 돌이 아니라 플라스틱이다. 컴퓨터 램을 꼽아본 적이 있다면 초록색이나 검은색 플라스틱 판 위에 칩이 붙어있는걸 본적이 있을 것이다. 이 낭창낭창한 플라스틱 판이 PCB이다.

출처 : 삼성반도체

공정이 미세화의 속도가 느려지면서 패키징 후공정을 미세화하고 정교화해서 칩의 성능을 늘리는 시도가 성과를 내고 있다. 이를 위한 가장 기초적인 단계가 열을 분산하기 위한 구리배선(copper balance)이다. 열을 균등하게 분배하지 못하면 칩의 뒤틀림이 발생하게 될 것이고 칩을 망가트리기 때문에 치명적이다. 문제는 칩의 미세화와 고도화로 인해 국소적인 열의 발생이 많아진다는 것이다.
설계를 꼼꼼하게 해도 잠재적인 문제가 도사리고 있다. 공정과정 중에 있는 임시접착제는 온도변화에 민감할 수 있다. 매 공정단계에서 바르고 굳히고 떼어내고 하는 작업을 거치는데 여기서 열적인 영향을 배제한다면 수율에 치명적인 문제가 발생할 것이다.
공정을 거친 다음 열을 식히고 다시 공정에 들어갈 텐데 여기서 재료의 냉각단계에 따라 어떤 물질은 빠르게 식고 어떤 물질은 천천히 식으면서 열의 contrast가 생겨나 칩이나 배선의 뒤틀림이 생겨날 수 있다.

 

해결방법 : 열이 발생하는 공정을 줄이자

반도체 설계와 제조에서 열에 의한 문제를 줄이는 방법은 다음과 같다.

1. 열에 의해 변형이 거의 없는 재료와 화학작용을 발견한다
2. 열이 발생하는 공정을 줄인다
3. 열이 발생하면 빠르게 식힌다

좋은 재료를 찾아서 접착성이 높으면서 독성도 없고 열에도 강한 좋은 재료를 찾을 수도 있다.
유체역학 시뮬레이션을 통해 설계를 완벽하게 해서 생겨나는 응력과 장력을 모두 고려할 수도 있다.

하지만... 현실적으로 새로운 재료를 발견하고 적용하는건 매우 오랜 검증의 시간이 걸린다.

설계도 마찬가지로.. 공정 중에 생기는 수많은 부분적인 열을 전부 고려해서 설계할 수는 없다.

 

내 개인적인 생각은 역시 공정을 혁신하는 게 가장 베스트일 것 같다. 열을 이용한 공정 중에 어닐링과 같이 열이 꼭 필요한 공정이 아니라, 화학작용이 열을 필요로 하는 경우는 플라즈마를 응용해서 열을 줄이고 공정 효율을 높일 수 있다.

그 예로 Thermal-ALE을 개선한 PE-ALE가 있다. 챔버에 Cl2 가스를 가득 채우고 열을 줘서 SiO2를 말랑하게 하고 가스를 전부 빼낸다음 에칭을 진행하는 초미세공정을 위한 에칭공정이다. (하지만 사용용도와 공법에 따라 Thermal ALE를 PE-ALE로 전부 대체할 수 있는 건 아니다)

플라즈마 방전을 통해 Cl2 가스를 라디칼로 만들면 반응성이 좋은 Cl라디칼이 열적으로 작용할때보다 더 빠르게 표면을 말랑하게 할 수 있고 열을 거의 발생시키지 않으면서 미세공정을 적용할 수 있다.

공정제어 기술과 플라즈마 화학반응을 제어할 수 있고 제어기술이 더 고도화되면 공정에서의 열적작용을 최소화해서 어쩌면 패널 레벨 패키징이라고 하는 PL-PLP가 가능할 수도 있고, 차세대 반도체라 불리는 유기반도체로 넘어가는 기술이 될 수도 있을 것이다.

 

결론

• 미세공정에 있어서 의외의 복병이 바로 열이다.
• 1 나노세제곱미터 안에 존재할 수 있는 입자의 수는 0.26개이다. 즉 미세구조로 인해 구조체사이 간격이 좁아지면 자연적인 쿨링은 거의 기대할 수 없다.
• 공정에서도 가열하고 식히는 과정이 수없이 반복되는데 이때 열의 변화로 인해 틀어지고 휘어질 수 있다.
• 열적 작용을 고려해 설계를 고도화하고 재료를 개선할 수 있다. 하지만 개인적인 의견으로 가장 고려될 부분은 열을 이용하는 공정을 플라즈마 Enhanced 된 공정으로 변화시켜 공정과정에서의 열적작용을 최소화하는 것이다.

참고자료

https://semiengineering.com/managing-thermal-induced-stress-in-chips/

Managing Thermal-Induced Stress In Chips

https://post.naver.com/viewer/postView.nhn?memberNo=10728965&volumeNo=28215074 

초미세 반도체, 우린 ALE(Atomic Layer Etching)로 간다!