MOSFET 제조의 마법
[알림] <Tr 75주년> 책이 너무 좋아서~ 일부 내용을 번역하여 공유합니다. *^__^*
반도체는 중요합니다. 이전에도, 그리고 AI 인공지능의 시대에도! 앞 blog글
가장 먼저 34 The Magic of MOSFET Manufacturing 입니다.
Moore의 법칙은 이렇습니다. 1965년 논문에서, 1975년에 집적 회로(IC) 기술이 어디에 있을지 예측했죠. 하나는 "inch당 500개 넘길 수 있죠. inch^2당 25만 개입니다." 오늘날 Apple M2에 0.24 inch^2에 약 200억 개의 트랜지스터가 있습니다. 즉 inch^2당 약 830억 개의 Tr입니다. 0의 개수를 비교해 보세요!
250,000 inch^2 당 (Moore 1965 예측- 10년 후)
83,000,000,000 inch^2 당 (M2 달성 2022)
잠시 멈춰봅시다. M2에 말 그대로 수백억 개의 Tr이 있으며 모두 올바르게 작동해야 합니다. 이것은 놀라움을 넘어섭니다. 오타 없이 문자 보내기에 어려움을 겪는 보통 사람이, 어떻게 200억 Tr이 있는 작은 단추만한 무언가를 만들 수 있습니까? 더욱 놀라운 건, 그걸 만드는 비용이 대략 인천 공항에서 이천까지 택시 요금과 비슷하다는 것입니다.
대답 간단히할 께요. 이건 마술이죠!
이제부터 마법을 설명합니다. Tr 구조에 반도체 공정을 얹어, 이 놀라운 chip 만드는 방법을 설명합니다.
1. 단순!!!!
제일 중요한 특성이죠. MOS 장치에는 요소가 셋 뿐입니다. i) Source/Drain 영역(대칭), (ii) Gate 전극, (iii) Gate 절연체. Source에서 Drain으로의 carrier 흐름은 Gate 전극이 만든 전기장이 제어합니다. Gate 전극은 Gate 절연체로 channel과 분리되었기에 전류 거의 안 흐릅니다. (동작은 Capacitor적으로!).
여기서 두 개(Source/Drain 및 Gate 전극)가 제조하기 간단합니다. 단순하죠? Source/Drain 영역은 간단한 경우- 기판의 고농도 doping "n"(또는 "p" 영역)압니다. Gate 전극은 단지 전도성 물질이라, 금속을 포함한 다양한 물질로 만듭니다. 유일하게 근본적으로 게 Gate 절연체인데, 매우 얇고 물리적, 화학적, 전자적 결함이 없어야 합니다.
그림1: MOS는 간단!
2. 작으면 좋아!!!
둘째 마법은 더 작게 만들수록 더 잘 작동합니다. 인생의 대부분은 이렇지 않지만(여러 Tr도 그렇지 않습니다!) MOS 장치는 이래요. 사람들은 "축소 법칙"이라고 멋진 이름을 씁니다. Dennard 1974년 논문이 대표죠.
적용해보죠. MOS 장치의 모든 크기(길이 L, 너비 W 및 절연체 두께 tox)를 0.7배로 축소(그리고 doping과 전압을 적절히)하면 다음 결과가 나옵니다. 1/0.7 즉 약 1.4x의 지연 시간(VC/I) 개선. 놀랍게도 1975부터 1995년 쯤까지(0.25um 세대에서 끝남) 이게 작동했습니다(생산 단계에서도!). 2005년 쯤까지는 쓸만 했고 gate 길이는 과하게 줄였습니다. 전반적으로 축소는 약 30년 동안 놀라울 정도로 성공!!
표: Dennard 축소. 이러면 돼? 돼!!
-보조: Doping 농도 NA, 전력 소모 VI
3. 판판한 wafer와 호환!!
다른 중요 특성은 [전류 흐름이 기판과 평행한] 평면 구조에 적합입니다. IC 제조는 [silk screen 인쇄처럼] 여러 단계에서 wafer에 얇고 균일한 층을 만들거나 바꿉니다. 평면 Tr 구조 때문에, 더 많은 층과 보다 정확한 제어가 가능합니다. 현대의 (FinFET 같은) "2D" Tr 구조도 Tr을 제작한 후 평평한 모양으로 복원합니다. 이는 BJT 및 전력 Tr 같은 수직 Tr 등 여러 종류와 다릅니다.
4. 향상-가능!
MOS 장치는 향상이 매우 쉽습니다. MOS 장치의 기본 요소를 보다 정교한 요소로 향상하면 성능 향상(어떤 경우에는 극적인!)이 가능합니다.
첫 향상(1965~201)은 재료 변경이었습니다. 예를 들어, 원래의 silicon oxide 절연체는 먼저 oxy-nitride로 향상된 다음, oxy-nitride 접촉 층과 고-k 절연체(HaO 등)의 이중층으로 향상되었습니다. 금속 Gate 전극은 먼저 이중 poly-Si로 향상되었다가- (역사적으로 흥미로와요! ㅋㅋ) 금속으로 되돌아갑니다. (다만 이번엔 이중 work-function 방식이죠). 주입 source/drain은 [자체, tip, 주머니등] 여러 중첩 주입으로 향상됩니다. 나아가서 epitaxial (어떤 경우에는 strain까지!) 들어올림도 있죠.
둘째 향상(2011~)은 구조적입니다. 가장 극적인 게 폭 방향을 따라 Tr을 접는, 돌출된 "Fin"을 만드는 FinFET입니다. 많은 이점 중 하나는 "짧은-경로 제어"의 개선입니다. 다르게 말해, FinFET 구조는 기존보다 극적으로 더 작은 장치(더 짧은 gate 길이)를 허용합니다. FinFET은 평면 MOS를 폭 방향으로 접은 거죠.
물론 FinFET의 성공이 입증된 후에는 이전의 많은 향상(고-k 절연체, 이중 일-함수 금속 Gate 등)이 즉시 적용되었습니다. 여러 변경은 기본 MOS의 향상입니다. 전송자 Gate가 만든 전기장이 제어하며 source에서 drain으로 기판을 따라 흐릅니다. Gate 전극은 여전히 절연체로 channel과 분리되었고, 전계는 여전히 Cap.으로 제어됩니다.
5. 자가-정렬의 마법
자가 정렬은 매우 강력합니다. 자가 정렬은 많은 관심을 받지는 못하지만 집적 회로 마법의 주요 부분입니다.
자가 정렬은 기존 구조를 사용해 후속 구조의 경계를 설정합니다. 전통적 예 그림 6처럼 Tr Gate 전극을 써서- S/D 주입의 가장자리를 설정하는 겁니다.
그림 2: 자가-정렬 Source
그림 3: 옆-벽 귀퉁이 만들기
옆벽 귀퉁이는 만들고 없애기 간단합니다. 또, (예를 들어 산화물, 질화물, 탄화물 등 다른 재료와 선택적 식각을 조합해) 서로 적층할 수 있습니다. MOS Tr의 미묘하게 겹치는 기능(예: tip, halo 등)을 만드는 매우 강력한 도구입니다. 여러 귀퉁이로 여러 자가-정렬 구조(tips, halo, epitaxial source/drain)를 만듭니다. 귀퉁이는 Gate 전극의 S/D 측으로 제한되지 않습니다. 예를 들어 자가 정렬된 Gate endgap 구조처럼, 직교 방향으로 추가 사용도 가능합니다. 더욱이 Tr에 국한되지 않고 다양한 공정의 다른 자체 정렬 구조에도 적용됩니다.
6. 반도체 제조의 마법: 품질 조절과 자동화
"서투른 자는 전략과 전술을 이야기하죠. 전문가는 병참과 지속성을 이야기합니다..." 해병대 Robert Barrow가 1979 말했죠. 반도체 제조에 이런 격언이 있으면 좋을 텐데 없네요. 감히 적어봅니다. “서투른 자는 paradigm과 synergy를 이야기하죠. 전문가는 품질 조절과 자동화를 이야기합니다.”
건강한 반도체 제조 공정을 세우고 유지하는 데 품질 관리 중요합니다. 기본 규칙은 "뭔가 고장 나면 다시는 일어나지 않도록 고치십시오."입니다. 건전한 공정 흐름에서는 단일 사고로 인한 실패 뿐 아니라 두 번의 동시 사고로 인한 실패도 거의 발생하지 않습니다. 이는 꽤 확률이 높아서, 눈에 띄는 실패에 대한 보호 조치는 오래 전에 품질 시스템에 내장되었어야 합니다. 예를 들어, barcode를 잘못 읽어 첫 품질 문제가 발생했을 때, 한 번 잘못 읽어도 공정이 실패하지 않도록, 품질 수정이 추가됩니다. 처음에 바코드를 잘못 읽고서, 공정 recipe도 잘못 택하는, 두 가지 동시 실패를 방지하는 품질 수정이 추가했어야죠. 이러한 유형의 품질 관리를 "지속적 개선"이라고도 합니다.
시간이 지남에 따라 이 품질 방법론을 엄격하게 따르면 대부분의 품질 문제는 확률이 매우 낮은 다중-동시-오류 사건이 됩니다. (barcode 잘못, 공정 recipe 잘못, station 제어기 software version 잘못, purge valve software 호환 문제). 아마 이것이 [다른 어떤 요소보다] 매우 저렴한 비용으로 수십억 개의 작동 Tr을 만들게 합니다.
반도체 공정의 복잡성을 관리하려면 자동화가 필수적입니다. 자동화는 IC 제조 과정 전반에 걸쳐 지속적으로 발전해 왔습니다. 어떤 의미에서 "컴퓨터를 만들려면 컴퓨터가 필요하다"는 옛 격언은 정확하게 맞습니다.
자동화는 여러 가지 유용한 기능을 제공하며 아래에서 몇 가지에 대해 설명합니다.
자동화는 더 복잡한 제조 프로세스를 허용합니다. 인간은 반복적이고 일상적인 세부 작업을 잘 수행하지 못합니다. 자동화 시스템은 잘 합니다. 그러나 자동화 시스템은 어리석은 일도 할 수 있으니 주의! 제조 작업은 일상적인 작업이 자동화되고 인간이 간헐적인 오류를 찾아 수정하는 데 시간을 할애할 때 가장 잘 작동합니다.
자동화는 사람에게 불편하거나 건강에 해롭거나 위험한 공정을 허용합니다. 가장 큰 자동화 전환 중 하나는 200mm(8inch) 공장과 300mm(12inch) 공장 사이에서 발생했습니다. 200mm 공장에서는 "우주인" 토끼 옷을 입어야 했습니다. 사람이 수동으로 wafer 상자를 옮겼지요. 300mm 공장에서는 FOUP을 써서 wafer를 보관하고 자동-이송합니다. 결과로, cleanroom 의류는 간소해지고 부상이 줄었습니다.
마지막으로 자동화로 다중-오류-사건 품질 검사를 내장할 수 있습니다(자동화와 품질 관리의 끈끈한 연결). 사람은 바코드 누락, recipe 잘못, station 제어기 issue, purge valve 비-호환 시간을 기억하기 어렵습니다. 자동 system은 합니다!
7 앞으로의 Tr 마법은?
향후 25, 50, 75년을 전망해 볼까요? 우리는 어디까지 갈 까요? 열린 질문으로 남깁니다.
- Better-Smaller-Faster 낫고-작고-빠른~
- 더 복잡하게 진화
- 다른 논리 체계를 탐험할까요?
참고: Kelin J. Kuhn, <Tr 75> Ch. 34 The Magic of MOSFET Manufacturing
최원재가 번역을 하였습니다. 2024년 2월 26일. 내용을 좀 간추리기까지 했기에- 저의 기여를 어떻게든 좀 남기고 싶네요. *^__^* 그림이 9개 있는데- 여기에는 딱 3개만 남겼습니다. 단순히 기계적으로 한 게 아니란 겁니다.
저로서는 상당한 시간과 노력을 들여서- English → 한글 번역을 했는데- 여러분께 도움이 되었으면 좋겠습니다. 고생했으니~ 글 읽어보시고 유익하셨으면~ '댓글'로 몇 마디 적어주세요! *^__^* 그래야 힘을 내서 몇 편 더 할꺼 같습니다. 2/26월 처음 올렸습니다. 3/2토 그림을 고쳤습니다.
덧붙여- 분명 고백하는 것은.... 번역을 하면서 스스로- 역사 속에 겸손해야함을 깨닫습니다. 지금의 반도체 기술, 반도체 산업은, 숱한 지식과 지혜가 그 속에 쌓여있습니다. 그 전부를 제가 다 알지 못합니다. 이걸 발전시켜오신 분들의 노력과 이야기를,,, 저로서는 궁금하지만- 속속 다 알지 못하고, 그걸 그 당시로 돌아가 경험해 볼 수는 없습니다. 역사란 그건 것이지요. 삶이란 그런 것이지요. 반도체 기술 발전도 그러한가 봅니다.
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