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미세공정
미세공정은 나노미터(nm) 단위로 반도체 칩 회로 선폭을 줄여 공정을 미세화하는 작업이다. 반도체 크기를 줄이면 한 웨이퍼에서 더 많은 반도체를 생산할 수 있기 때문에 생산성이 향상된다.
초미세공정[편집]
1 nm(나노 미터), 즉 10억분의 1 m 정도의 크기로 제품을 가공하는 기술로, 주로 반도체 기술에서 작은 면적에 많은 회로를 그릴 수 있는 기술을 지칭한다.
'초미세 공정'이란 사전적 의미로 1 nm, 즉 10억분의 1 m 정도의 크기로 제품을 가공하는 기술을 뜻한다. 1 nm 크기는 머리카락 굵기의 10만분의 1 수준으로 아주 미세한 크기이다. 초미세 공정이란 용어가 대두되게 된 배경은 세계 반도체 기업들의 경쟁 때문이다. 반도체 산업에서 이야기되는 초미세 공정은 반도체 회로 선폭의 굵기를 말하는데, 초미세 공정으로 보다 작은 면적에 더 많은 회로를 그려 넣을수록 반도체의 크기를 줄이고 성능을 높일 수 있다. 따라서 어느 반도체 기업이 더 세밀한 초미세 공정을 실현하느냐는 그 기업의 반도체 기술력을 상징하는 지표가 된다.
반도체 기업들이 보다 미세한 초미세 공정을 실현코자 하는 이유는 초미세 공정으로 한 장의 웨이퍼에 더 많은 반도체를 생산할 수 있으면 그만큼 생산성은 높아지고 가격은 내려가기 때문이다. 게다가 반도체 회로가 작을수록 소비전력은 줄어들고, 정보처리 속도는 빨라진다. 이 때문에 반도체 연구자들은 지난 50년 간 반도체를 더 작게 만들기 위해 노력해 왔다. 이러한 초미세 공정의 핵심 중 하나가 최첨단 노광 작업이다. EUV 노광 작업은 반도체를 만드는 데 있어 중요한 과정인 포토 공정에서 극자외선 파장의 광원을 사용하는 리소그래피(extreme ultraviolet lithography) 기술 및 이를 활용한 제조 공정이다. 극자외선 파장은 기존 공정기술인 불화아르곤(ArF) 광원보다 파장의 길이가 10분의 1 미만으로, 극자외선 파장을 가진 광원으로 노광 작업(레이저 광원으로 웨이퍼에 패턴을 새기는 작업)을 하면 반도체 회로 패턴을 더욱 세밀하게 제작할 수 있고, 공정 수를 줄여 생산성을 높이고 고성능을 확보할 수 있다.
반도체 생산의 초미세 공정이 무한히 미세하게 이루어질 수는 없다. 반도체 칩 하나에는 수십억 개 이상의 트랜지스터가 들어 있는데, 전자가 트랜지스터 양단의 폭 사이를 지나가는 간격이 짧을수록 소자의 동작이 빨라진다. 트랜지스터 양 단의 사이가 멀면 스위치를 껐을 때 전자의 흐름을 확실하게 차단할 수 있는 반면, 양 단의 거리가 가까워지면 스위치를 꺼도 전자의 일부가 건너갈 수 있다. 이를 '누설전류'라 하며, 이 때문에 반도체 회로가 작을수록 완전히 차단하기 어려워지고 대기 상태의 전력 소모도 많아진다. 다양한 기술 개발과 연구 결과 트랜지스터가 제대로 동작할 수 있는 한계는 5 nm, 3 nm로 알려져 있다. 그리고 학계에서는 트랜지스터의 물리적 크기의 한계를 2~3 나노라고 본다. 이에 따라 반도체 소자를 작게 만드는 기술은 현재 거의 한계에 도달했다고 보고 있다.
반도체 초미세 공정이 지닌 의미[편집]
반도체 웨이퍼에 미세한 회로를 그려 넣는 노광(포토) 공정 기술력을 확보하는 것은 중요한 경쟁력이다. 최근 로직(logic) 반도체 공정이 10나노 이하로 접어들면서 불화아르곤(ArF) 광원을 사용하는 기존의 노광 공정은 한계에 이르렀다. 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 적합하다. EUV를 사용하게 되면, 웨이퍼에 회로를 그려 넣는 작업을 한층 간소화할 수 있고 회로가 그려진 마스크 숫자를 획기적으로 줄일 수 있다.
또한, EUV를 통해 한자리 수의 나노 공정 단계에 진입한다는 것은 단순히 공정 단위 숫자가 줄어드는 것 이상의 의미가 있다. 칩 하나의 크기가 작아지면 동일한 면적의 웨이퍼 안에서 더 많은 반도체를 생산할 수 있기 때문에 반도체의 생산성을 높이고, 성능과 전력 효율을 동시에 확보할 수 있다. 그리고 반도체를 작게 생산할 수 있다는 것은 각종 기기에서 공간 활용 효율성을 제고할 수 있다는 의미이기도 하다.
삼성전자의 초미세 공정 개발 현황[편집]
삼성전자는 지난 2019년 4월 7나노 파운드리 제품 출하와, 5나노 공정 개발 소식을 밝혔다. 뿐만 아니라 3나노 GAA(Gate-All-Around) 공정 설계 키트를 팹리스 고객들에게 배포하며 초미세 회로 기술을 빠르게 발전시키고 있다.
또한, 2022년 상반기에는 GAA 기술을 3나노에 도입 완료하고, 2023년에는 3나노 2세대, 2025년에는 GAA 기반 2나노 공정을 양산하겠다는 계획도 밝혔다.
참고자료[편집]
- 〈미세공정〉, 《한경 경제용어사전》
- 〈초미세 공정〉, 《두산백과》
- 〈점점 더 작아진다, 반도체 초미세 공정〉, 《삼성반도체》, 2019-08-28
- 김철선 기자, 〈삼성전자, 세계 최초 3나노 반도체 양산…미세공정 한계 돌파〉, 《연합뉴스》, 2022-06-30
같이 보기[편집]
