매립 전원선 BPR, 트랙을 줄여 셀 높이를 낮추는 법

좁은 주택가를 지나다 보면 머리 위로 전봇대와 전선이 어지럽게 지나가 길이 더 비좁게 느껴질 때가 있습니다. 이런 동네에서 전선을 지하 공동구에 묻는 지중화 공사를 하고 나면, 지상에 트였던 공간만큼 보행로를 넓히거나 주차 공간을 더 확보할 수 있죠.

반도체의 표준 셀 안에서도 신호를 나르는 배선과 전원을 공급하는 전선이 같은 층에서 자리를 다툽니다. 이 전원선을 트랜지스터 아래 땅속으로 내려 묻어 지상의 배선 공간을 되찾는 기술이 바로 매립 전원선 BPR입니다. 이 글에서는 셀 높이를 재는 트랙 개념부터, 매립 전원선이 어떻게 셀을 낮추는지 원리를 따라가 보겠습니다.

셀 높이를 재는 자, 배선 트랙이란 무엇인가

디지털 칩은 인버터, 낸드처럼 미리 설계해 둔 표준 셀(Standard cell)을 벽돌처럼 이어 붙여 만듭니다. 이 셀들은 블록을 가지런히 쌓을 수 있도록 높이를 통일해 두는데, 그 높이를 재는 눈금이 바로 배선 트랙(Routing track)입니다.

트랙은 셀 안에서 신호 배선이 지나갈 수 있는 가로줄의 개수를 뜻합니다. 예컨대 높이가 6트랙인 셀은 신호선 여섯 줄이 들어갈 폭을 가진 셈이고, 트랙 수가 줄어들수록 셀 높이가 낮아져 같은 면적에 더 많은 소자를 담을 수 있습니다.

그래서 칩 전체의 집적도를 높이려면 트랙 수를 줄여 셀 높이를 낮추는 일이 중요합니다. 문제는 이 귀한 트랙을 신호선만 쓰는 것이 아니라는 데 있습니다.

전원선이 신호 트랙을 잡아먹어 셀이 높아지는 문제

트랜지스터가 켜지고 꺼지려면 전원과 접지를 공급하는 두 줄의 굵은 전선이 셀의 위아래 가장자리를 따라 지나가야 합니다. 이 전원 레일은 큰 전류를 흘려야 하므로 신호선보다 폭이 넓고, 전압이 떨어지는 IR drop을 막기 위해 더 두껍게 깔립니다.

문제는 이 전원 레일이 신호가 다녀야 할 트랙을 두 줄 가까이 차지해 버린다는 점입니다. 셀 높이를 줄이려고 트랙 수를 낮추면 신호선이 지날 길이 먼저 막히고, 전원 레일을 좁히면 전류가 모자라 IR drop이 심해지는 딜레마에 빠집니다.

지상 도로가 아무리 넓어도 한가운데를 전봇대가 차지하면 차선을 늘리기 어려운 것과 같습니다. 전원선과 신호선이 같은 평면에서 경쟁하는 구조가 셀 높이를 낮추는 데 가장 큰 걸림돌이 된 것이죠.

매립 전원선 BPR로 전원선을 소자 아래에 묻는 원리

해법은 전봇대를 지하에 묻듯, 전원 레일을 트랜지스터보다 아래, 즉 실리콘 기판 쪽으로 내려 묻는 것입니다. 이것이 매립 전원선(BPR, Buried Power Rail)의 발상입니다. 전원선이 상부 배선층에서 빠지면, 그 자리에 신호선이 들어올 수 있어 트랙을 되찾게 됩니다.

매립 전원선 BPR은 단순히 공간만 아끼는 것이 아닙니다. 전원선을 폭이 좁아도 깊게 파 단면적을 키울 수 있어, 같은 저항으로도 더 많은 전류를 흘릴 수 있습니다. 여기에 웨이퍼 뒷면에서 전원을 공급하는 후면 전원 공급(BSPDN) 기술과 결합하면, 전원망과 신호망을 위아래로 완전히 분리하는 길도 열립니다.

트랙 수 축소 효과와 공정 난이도

매립 전원선으로 전원 레일을 지하로 내리면, 표준 셀 높이를 나타내는 트랙 수를 한 단계 안팎 낮출 수 있습니다. 셀이 낮아진 만큼 같은 면적에 더 많은 논리 셀을 집어넣어 집적도와 성능을 함께 끌어올릴 수 있죠.

다만 공정 난이도는 만만치 않습니다. 전원선을 소자보다 먼저 만들어 두고 그 위에서 고온의 트랜지스터 공정을 진행해야 하므로, 매립 전원선이 그저 배선을 아래층으로 옮긴 것일 뿐이라고 가볍게 보기 쉽지만 실제로는 매립 금속이 고온을 버티고 실리콘을 오염시키지 않아야 한다는 까다로운 조건이 따릅니다.

그래서 구리 대신 내열성이 좋은 루테늄이나 텅스텐을 쓰고, 트렌치 내벽의 절연과 확산 방지도 정밀하게 관리합니다. 땅속 전원선과 지상 소자를 잇는 수직 비아의 정렬 정밀도 역시 수율을 좌우하는 핵심 변수입니다.

기존 전원선과 매립 전원선 BPR 비교

전원 레일을 상부 배선층에 두는 기존 방식과 땅속에 묻는 매립 방식을 비교하면 아래와 같습니다.

구분	기존 상부 전원 레일	매립 전원선(BPR)
전원선 위치	신호선과 같은 상부 배선층	트랜지스터 아래 실리콘 기판 쪽
트랙 점유	신호용 트랙을 두 줄가량 차지	상부 트랙을 비워 신호선에 양보
셀 높이	전원 레일 폭만큼 높아짐	트랙 수를 낮춰 셀 높이 축소
배선 금속	저저항 구리 중심	고온을 견디는 루테늄·텅스텐
핵심 과제	전원선과 신호선의 공간 경쟁	고온 공정 내열성과 수직 비아 정렬

핵심 정리

전봇대를 지하에 묻어 길을 넓히듯, 매립 전원선 BPR은 상부 배선층에서 신호 트랙을 잡아먹던 전원 레일을 트랜지스터 아래로 내려 묻는 기술입니다. 그 결과 비워진 트랙에 신호선이 들어와 셀 높이를 낮추고 집적도를 끌어올릴 수 있죠.

대신 전원선을 먼저 만들고 고온 공정을 견뎌야 하므로 내열 금속과 정밀한 수직 연결이 필요합니다. 트랙 수가 셀 높이를 어떻게 결정하는지 이해하면, 후면 전원 공급 같은 차세대 전원망 기술이 왜 함께 등장하는지도 자연스럽게 보입니다.

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