HBM - 기반 기술 TSV

1. TSV 정의

TSV(Through Si Via, 실리콘 관통 전극)은 실리콘을 뚫어서 전도성 재료로 채운 전극을 의미한다. 일반적으로 칩을 적층 하기 위한 기술로 칩에 구멍을 뚫어서 전도성 재료인 금속 등으로 채우고 이렇게 만들어진 칩들을 수직으로 연결하면서 적층 하는 기술을 의미한다.

메모리 반도체 관점에서 메모리 반도체에 끊임없이 요구하는 특성은 고속, 고용량, 작은 크기를 만족시키면서 전력 소모는 최소화하는 것이다. 

TSV는 이러한 업계의 요구를 만족시켜 줄 수 있는 최적의 해결법이어서 메모리에서 TSV를 이용한 칩 적층 기술을 적극적으로 개발하고 제품화하고 있다.

2. TSV의 장점

TSV를 이용한 패키지의 큰 장점은 성능과 패키지 크기이다.

적층되는 칩의 개수가 많고 연결할 핀 수가 많을수록 와이어는 복잡해지고, 와이어를 연결할 공간도 많이 필요하다. TSV를 이용하는 경우 복잡한 와이어와 와이어를 연결할 공간이 필요 없으므로 패키지 크기를 줄일 수 있다.

위 칩에서 바로 아래 칩에 전기적 신호를 전달하고자 할 때 TSV를 이용한 칩 적층은 TSV를 이용해서 바로 아래로 신호가 전달된다. 하지만 와이어를 이용한 경우에는 서브스트레이트까지 내려갔다가 다시 올라와야 하므로 신호 전달의 길이가 훨씬 길어진다.

신호를 전달하는 핀의 개수를 늘리고 싶지만 와이어를 이용한 적층에서는 와이어 공정상의 한계 때문에 X32가 한계였다. TSV를 이용한 적층에서는 이러한 한계가 없으므로 HBM의 경우 X1024를 구현하였다.

반도체 제품의 CMOS 크기를 줄이는 스케일 다운을 위해서는 점점 더 어려운 포토 기술이 필요하다. 10nm대와 그 미만의 포토 기술을 위해서는 EUV라는 장비가 필요한데, 대당 가격이 1000억 원을 넘는다. 따라서 이러한 스케일 다운을 적용하지 않고, 기존 장비를 사용하되 TSV를 이용하여 적층을 하면 스케일 다운을 하는 효과가 나오므로, TSV가 가격 경쟁력도 생긴다.

3. TSV의 종류

TSV 기술은 TSV를 전체 공정 중 어느 단계에서 형성했느냐에 따라 Via First, Via Middle, Via Last 이렇게 3가지로 구별할 수 있다.

Via First는 CMOS 트랜지스터를 형성하기 전에 먼저 비아를 형성하고, 비아에 전도성 재료를 채운 후 CMOS 공정, 금속 배선 공정을 진행한다.

Via Middle은 먼저 CMOS를 형성하고, 금속 배선 공정 전에 비아를 만들고 전도성 재료인 금속을 채운 후에 후속으로 금속 배선 공정, 범프 형성, 적층을 진행한다.

Via Last는 CMOS 형성, 금속 배선 층 형성 등의 웨이퍼 공정을 모두 완료 후 패키지 공정에서 비아를 형성하고, 전도성 금속을 채운 후에 범프 형성, 적층을 하기 때문에 웨이퍼 공정 후에 비아를 형성한다.

TSV 종류, 빈(Wien) 공대