[DEEP BYTE] 반도체 초미세공정 완전정복

[DEEP BYTE] 반도체 초미세공정 완전정복

최근 TSMC와 삼성을 중심으로 반도체 초미세공정 기술경쟁이 점점 치열해지고 있는데요. 오늘 DEEP BYTE에서는 초미세공정이란 무엇인지, 또 초미세공정 기술은 어디까지 왔는지 알아보세요!

🐶  JAY
🐶 JAY

최근 글로벌 파운드리(반도체 위탁생산) 업계의 선두주자인 대만의 TSMC와 한국의 삼성전자를 중심으로 반도체 초미세공정 기술경쟁이 치열해지고 있습니다. 4차 산업혁명 기술의 발전으로 IT업계에서 더 높은 성능의 반도체를 필요로 함에 따라, 글로벌 파운드리 업체들은 반도체를 더 작고 가볍게 만들기 위해 '초미세공정'을 도입하고 발전시켜가고 있죠.

현미경으로 확대해 본 반도체 칩 내부 회로의 모습. 1µm=백만분의 1m IEEE Spectrum

초미세공정이란 실리콘으로 이뤄진 반도체 기판(웨이퍼)에 특수한 장비를 이용해 회로를 수 나노미터의 선폭으로 그려 넣는 공정을 의미합니다. 손가락 한 마디 크기인 반도체 칩이 실질적으로 컴퓨터 한 대의 기능을 해야 하니, 칩 안에 그려져야 하는 회로도 매우 많고 복잡하겠죠. 스마트폰이 사실상 일반 컴퓨터처럼 기능할 수 있는 것도 초미세공정으로 만든 고성능 초소형 반도체칩 덕분입니다.

초미세공정으로 고성능 반도체를 생산할 수 있는 기업은 세계에 몇 안 되는데요. 대부분이 동아시아에 위치하고 있어, 최근 미국과 중국의 기술전쟁에서도 한국과 대만, 일본 등이 중요한 플레이어로 부상하고 있습니다. 이번 주 BYTE+에서는 반도체 초미세공정의 원리(월)와 관련된 시장(화) 및 기업분석(수), 그리고 초미세공정의 판도를 바꿀 기술로 평가받는 GAA(목)에 대해 자세히 알아보려 합니다. 오늘은 초미세공정의 원리는 무엇이며, 최근 기술 수준은 어디까지 왔는지 살펴보겠습니다.

① 월: 반도체 초미세공정 101
② 화: 반도체 초미세공정 시장분석: 생산과 장비
③ 수: 트랜지스터의 새로운 혁명, GAA
④ 목: 초미세공정에 다시 도전하는 인텔


초미세공정 완전정복

초미세공정 혹은 나노공정은 반도체의 크기를 작게 만들기 위해 반드시 필요합니다. 스마트폰이나 노트북이 실제로 컴퓨터의 역할을 하기 위해서는 CPU(중앙처리장치)와 GPU(그래픽처리장치), 메모리 같은 다양한 장치들이 필요한데요. 데스크톱 컴퓨터야 크기가 좀 커도 상관이 없지만, 스마트폰의 경우 이런 모든 장치들이 얇은 공간 사이에 전부 들어가야 하기 때문에 크기가 매우 작아야 합니다. 반도체의 크기가 작을수록 더 가볍고 성능 좋은 전자기기를 만들 수 있는 것이죠.

반도체 성능 = 트랜지스터의 개수?

반도체의 크기가 작아진다는 이야기는 곧 트랜지스터의 크기가 작아진다는 이야기와도 같은데요. 트랜지스터0과 1로 이뤄진 디지털 신호 처리에 반드시 필요한 부품입니다. 우리가 컴퓨터로 수행하는 모든 작업은 0과 1의 디지털 신호로 처리되는데, 전기가 통할 때를 1, 통하지 않을 때를 0으로 하는 반도체 회로를 만든다면 컴퓨터를 통해 수행하는 모든 연산이 가능해집니다. 이렇게 0과 1을 물리적으로 표현하는 반도체의 기능을 '스위칭' 기능이라고 하며, 이 스위칭 기능을 수행하는 반도체가 바로 '트랜지스터'입니다.

  • 전기가 통하는 물질을 도체, 전기가 통하지 않는 물질을 부도체라고 하는데요. 반도체란 평상시에는 전기가 통하지 않지만, 인위적인 조작을 가하면 전기가 통하는 물질입니다. 이런 성질 덕에 디지털 신호를 처리하는 데 매우 적합한데요. 도체나 부도체의 경우 전기가 통하기만 하거나, 통하지 않기만 하기 때문에 0과 1을 모두 나타내기 어렵지만, 반도체는 전기가 통하기도 하고(1) 안 통하기도(0) 하기에 디지털 신호 처리가 용이합니다.
과거의 트랜지스터(ⓒhellot)와 현재 반도체 칩 안에 들어가는 트랜지스터

일반적인 트랜지스터는 왼쪽 상단의 그림과 같이 세 개의 발이 달린 형태입니다. 그런데 데스크톱 컴퓨터에 들어가는 CPU 같은 처리장치를 만들기 위해서는 적게는 1,000여개에서 많게는 500억개의 트랜지스터가 필요한데요. 스마트폰의 CPU 역할을 하는 AP(애플리케이션프로세서)에는 20억개의 트랜지스터가 필요하다고 하죠. 그래서 컴퓨터 회사와 반도체 회사들은 오른쪽 상단의 그림과 같이 실리콘 기판에 미세하게 작은 회로를 그리고, 불순물을 주입해 수십억개의 초소형 트랜지스터를 작은 칩 안에 구현해냈습니다.

  • 실제로 트랜지스터의 개수는 반도체 성능을 보여주는 지표로도 활용되는데요. "반도체(집적회로)의 성능은 2년마다 2배로 증가한다"라는 그 유명한 무어의 법칙 역시 아래 그림과 같이 트랜지스터의 개수를 그 기준으로 하고 있습니다.
2년마다 2배씩 트랜지스터의 개수가 증가할 것임을 예측한 무어의 법칙(Moore's Law) ⓒWikipedia

초미세공정 = 수십억개의 트랜지스터를 칩에 그려 넣기

고성능 반도체를 만들기 위해서는 이렇듯 수십억개의 트랜지스터를 작은 칩 안에 모두 넣어야 하고, 그러려면 트랜지스터를 구현하기 위해 기판 위에 그려져야 하는 회로의 선폭도 매우 얇아져야 합니다. 그런데 이렇게 얇은 회로는 직접 그릴 수가 없기 때문에 회로 모양의 마스크를 만든 뒤 그 위에 파장이 짧은 빛을 조사해 그려냅니다. 이 공정을 '포토리소그래피' 공정이라고 부르죠. 보통 원하는 부분만 페인트칠을 하고 싶을 때 그 부분을 뺀 곳에 마스킹 테이프를 붙이고 페인트칠을 한 뒤, 테이프를 떼어내면 되는데요. 포토리소그래피 공정도 같은 원리입니다.

리소그래피 공정의 원리(왼쪽, ⓒtudelft)와 EUV 노광장비(오른쪽, ⓒASML)

포토리소그래피 공정에서 가장 중요한 것은 무엇보다 노광장비입니다. 노광장비란 쉽게 말해 마스크 위로 빛을 쏘아주는 장비를 말하는데요. 노광장비의 성능을 결정하는 것은 바로 노광장비가 사용하는 광원(빛을 내는 물질)입니다. 파장이 짧은 광원일수록 정밀하게 회로를 그려낼 수 있기 때문입니다. 약 10나노까지의 초미세공정에서는 불화아르곤(ArF)을 광원으로 활용하는 노광장비가 사용되었는데요. 불화아르곤의 경우 약 193나노의 파장을 갖기 때문에, 좌측 상단의 그림과 같이 굴절률이 큰 렌즈를 활용해 빛을 모아줘야 합니다. 이런 포토리소그래피 공정을 여러 번 반복해야 비로소 미세한 회로를 촘촘하게 그려낼 수 있는 것이죠.

하지만 10나노 이상의 초미세공정을 구현하는 과정에서 불화아르곤 노광장비는 한계를 드러냈습니다. 회로를 여러 번 그려내는 과정에서 회로의 정렬 상태가 흐트러지는 문제가 발생한 것이죠. 게다가 공정이 더 미세해질수록 이 공정을 더 많이 반복해야 하는데, 그럴수록 반도체 제조사의 비용부담도 커지게 됩니다. 그래서 2019년 말부터 본격적으로 도입된 것이 바로 EUV(극자외선, Extreme Ultraviolet)를 광원으로 하는 EUV 노광장비입니다. 이재용 삼성전자 부회장 역시 이 장비를 수입하기 위해 네덜란드의 ASML을 직접 방문해 화제가 됐기도 했죠.

불화아르곤 노광장비로 그린 패턴보다 EUV 노광장비로 그린 패턴이 더 정확한 모습을 볼 수 있습니다.

EUV는 파장이 13.5나노에 불과해 나노급 반도체를 만드는 데 걸리는 시간과 비용을 획기적으로 단축할 수 있습니다. 물론 EUV 노광장비 역시 기술적 문제가 없는 것은 아니지만, 기존의 불화아르곤 노광장비에 비해 정확성과 효율이 높아 삼성전자, TSMC와 같은 글로벌 기업들이 앞다투어 이 장비를 도입하려 하고 있죠. 물론 비용도 비싸고 공급업체도 하나밖에 없어 수급이 매우 어렵습니다. 불화아르곤 노광장비가 대당 약 700억원이었다면, EUV 노광장비는 대당 1,500억원에 달합니다. 만들기도 매우 복잡해 네덜란드의 ASML이란 기업밖에 못 만드는데요. 1년 생산량도 30~40대밖에 되지 않아, 만성적인 공급 부족 상태입니다.

[상식한입+] 반도체는 어떤 과정을 거쳐 만들어질까?
지금 여러분이 보고 계신 이 글도 반도체가 없다면 볼 수 없습니다. 산업의 쌀이라고 불리는 반도체는 어떤 공정을 거쳐 만들어지는지 알아볼까요?

반도체가 작으면 뭐가 좋을까?

반도체가 작으면 구체적으로 뭐가 좋길래 반도체 기업들이 나노 기술 개선에 사활을 걸고 있는 것일까요? 일단 반도체가 작아지면 작아질수록 반도체 회사들은 더 많은 반도체를 생산할 수 있고, 더 많은 돈을 벌 수 있습니다. 보통 반도체 칩은 아래와 같이 생긴 실리콘 웨이퍼를 작게 잘라 만드는데, 각각의 칩 크기가 작아질 경우 한 장의 웨이퍼로 만들어낼 수 있는 반도체가 더 많아지게 됩니다.

또, 반도체의 크기가 작아질수록 성능도 높아지는데요. 반도체가 작아질수록 반도체 내부에 들어가는 트랜지스터의 크기도 작아져 필요 전압이 낮아지고, 전력 소비도 줄어들게 됩니다. 게다가 트랜지스터 간의 거리도 줄어들어 전자의 이동속도가 빨라지고, 정보 처리 속도도 더 빨라지죠. 한 마디로, 반도체가 미세화될수록 점점 더 고부가가치 상품이 되어가는 것이죠.


초미세공정, 어디까지 왔을까?

2022년은 3나노 반도체의 원년이 될 것으로 보입니다. 삼성전자와 TSMC 모두 올해 3나노급* 성능을 가진 반도체 생산을 시작할 예정인데요. 삼성전자는 올해 상반기 안에, TSMC는 올해 하반기 3나노 반도체 양산을 시작할 것을 보입니다. 특히 기존 5나노급 반도체의 성능을 3나노급으로 끌어올리는 데 핵심적인 기술이 바로 GAA 기술인데요. GAA는 트랜지스터의 성능을 향상시키는 데 활용되는 기술로, 자세한 내용은 이번 주 수요일 <트랜지스터의 새로운 혁명, GAA>에서 소개드릴 예정입니다.

  • 3나노 반도체라고 해서 정말 회로의 선폭이 3나노인 것은 아닙니다. 선폭은 그대로여도, 반도체의 성능이 향상될 경우 숫자를 낮춰 부르고 있는데요. 3나노급 반도체라고 하면 물리적인 선폭은 5나노미터 정도이지만, 성능이 기존 5나노 반도체에 향상되었다는 것을 의미하죠.

이렇게 오늘은 반도체 초미세공정의 원리와 현황에 대해 살펴봤는데요. 요약하자면, 반도체 초미세공정은 회로를 극도로 미세하게 그릴 수 있는 EUV 노광장비를 활용해 반도체 칩 안에 무수히 많은 트랜지스터를 구현해내는 제조공정인 것입니다. 오늘의 초미세공정 개론을 시작으로 내일은 초미세공정 반도체 시장 분석을, 수요일에는 새로운 트랜지스터 기술인 GAA 해설을, 그리고 목요일에는 다시 초미세공정 파운드리에 도전하는 인텔에 대한 분석을 만나보세요!


오늘의 <DEEP BYTE>는 어떠셨나요?
좋았던 점, 부족했던 점, 개선되었으면 하는 점 등을 자유롭게 말씀해주세요!

BYTE+ 구독자 피드백
오늘의 BYTE+ 콘텐츠는 어떠셨나요?BYTE+에 대해 자유롭게 의견을 말씀해주세요!좋았던 점, 부족했던 점, 개선됐으면 하는 점 등을 적어주시면 최대한 빠르게 반영할 수 있도록 노력할게요 :)

대화에 참여하세요 (1건)
1 이달에 읽은
무료 콘텐츠의 수

BYTE의 프리미엄 콘텐츠 구독 서비스, BYTE+⭐️

월 9,900원으로 BYTE의 모든 콘텐츠를 자유롭게 이용하세요!

Powered by Bluedot, Partner of Mediasphere
닫기