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점점 더 작아진다, 반도체 초미세 공정

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4차 산업혁명 시대에 반도체는 스마트기기, 인공지능, 5G, 사물인터넷(IoT), 자동차 등에 탑재되는 주요 부품으로 주목 받고 있습니다. 손바닥 크기의 모바일 기기는 물론, 몸에 착용하는 웨어러블 기기에도 반도체가 들어가면서 반도체 소형화의 중요성이 커지고 있는데요. 차세대 디바이스에 맞춰 점점 작아지는 반도체와 반도체 초미세 공정에 대해 알아보겠습니다.

점점 작아지고 미세해지는 반도체

반도체 초미세 공정 1

반도체는 경박단소(가볍고, 얇고, 짧고, 작은)를 향해 진화해왔습니다. 모바일 시대로 접어들며 점점 더 작고, 복잡해지는 전자기기에 들어가기 위해서는 공간의 한계를 극복해야 했기 때문입니다. 또한 한 장의 웨이퍼에서 얼마나 많은 반도체를 생산할 수 있는지는 반도체의 가격에 크게 영향을 주기 때문에 반도체 기술은 제품을 더 작게 만드는 방향으로 진화합니다.

이렇게 반도체의 크기가 작아지면서 한정된 공간 안에 얼마나 많은 소자를 구현할 수 있는가가 중요한 쟁점이 되었고, 지금은 수십억 개의 소자가 손톱만한 크기의 칩에 들어가 나노 단위의 크기로 회로 선폭을 형성하는 초고집적 반도체의 시대가 열렸습니다.

반도체 초미세 공정이 지닌 의미

반도체 초미세 공정2
▲ 미세한 패턴을 웨이퍼 위에 그리기 위한 불화아르곤(ArF) 기반 ‘멀티패터닝’ 기술과 EUV 기술 비교.
회로를 새기는 작업을 반복하는 멀티패터닝 공정을 줄여 성능과 수율을 높일 수 있다

이처럼 반도체 웨이퍼에 미세한 회로를 그려 넣는 노광(포토) 공정 기술력을 확보하는 것은 중요한 경쟁력입니다. 최근 로직(logic) 반도체 공정이 10나노 이하로 접어들면서 불화아르곤(ArF) 광원을 사용하는 기존의 노광 공정은 한계에 이르렀는데요. EUV(Extreme Ultra Violet, 극자외선)는 불화아르곤을 대체할 수 있는 광원으로, 파장의 길이가 기존 불화아르곤의 1/14 미만에 불과해 보다 세밀한 반도체 회로 패턴 구현에 적합합니다. EUV를 사용하게 되면, 웨이퍼에 회로를 그려 넣는 작업을 한층 간소화할 수 있고 회로가 그려진 마스크 숫자를 획기적으로 줄일 수 있습니다.

또한, EUV를 통해 한자리 수의 나노 공정 단계에 진입한다는 것은 단순히 공정 단위 숫자가 줄어드는 것 이상의 의미가 있는데요. 칩 하나의 크기가 작아지면 동일한 면적의 웨이퍼 안에서 더 많은 반도체를 생산할 수 있기 때문에 반도체의 생산성을 높이고, 성능과 전력 효율을 동시에 확보할 수 있습니다. 그리고 반도체를 작게 생산할 수 있다는 것은 각종 기기에서 공간 활용 효율성을 제고할 수 있다는 의미이기도 합니다.

삼성전자의 초미세 공정 개발 현황

▲ 삼성전자 화성캠퍼스 EUV 라인 조감도
▲ 삼성전자 화성캠퍼스 EUV 라인 조감도

그렇다면 삼성전자의 초미세 공정 기술은 어디까지 발전했을까요? 삼성전자는 지난 2019년 4월 7나노 파운드리 제품 출하와, 5나노 공정 개발 소식을 밝혔습니다. 뿐만 아니라 3나노 GAA(Gate-All-Around) 공정 설계 키트를 팹리스 고객들에게 배포하며 초미세 회로 기술을 빠르게 발전시키고 있습니다.

또한, 2022년 상반기에는 GAA 기술을 3나노에 도입 완료하고, 2023년에는 3나노 2세대, 2025년에는 GAA 기반 2나노 공정을 양산하겠다는 계획도 밝혔습니다.

지금까지 반도체 공정의 초미세화 추세에 대해 살펴봤는데요. 앞으로도 삼성전자는 초미세 공정 포트폴리오를 확대해 나가며 4차 산업혁명 시대에 걸맞은 반도체 사업 경쟁력을 강화해나갈 예정이니 많은 응원 부탁드립니다.

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