기술노드, ArF와 EUV

 

기존 대비 절반 수준으로 줄어드는 소자 미세화 규칙을 정했고, 이런 규칙을 적용하면서 다음 세대의 이름을 정하게 되는데 이것을 기술 노드라고 부릅니다.

 

 

기술 노드

 반도체 산업은 소자 미세화라는 목표를 설정하고 공동의 노력을 하는 산업입니다.

 

 이런 상황에서 소자 미세화라는 것에 대해 모든 산업의 사람들이 이해할 수 있도록 일반적인 소자 미세화의 규칙을 정했습니다.

 

 이렇게 정해진 규칙은 이전 세대 크기 대비 0.7을 곱한 길이로 모든 크기를 줄이는 것입니다. 예를 들어보면 트랜지스터 채널의 길이와 폭이 1㎛ x 1㎛였다면, 다음 세대의 트랜지스터 채널이 길이와 폭은 0.7㎛ x 0.7㎛로 줄이는 것입니다.

 

 

 왜 이전 세대 크기 대비 0.7을 곱한 것일까요? 바로 0.7씩 줄이게 되면 0.7 x 0.7 = 0.49가 되기 때문에 기존 대비 절반 수준으로 줄어들기 때문입니다. 이런 규칙을 적용하면서 다음 세대의 이름을 정하게 되는데, 이것을 기술 노드라고 부릅니다.

 5nm 기술 노드나 3nm 기술 노드가 현재 많이 쓰이는 용어입니다.

 

 사실 앞서 설명한 바로는 절반으로 줄인다고 이야기했지만, 약간의 반올림이 들어가면서 90nm 기술 노드 다음에 65nm 기술 노드가 되었고, 그 이후에는 45nm 기술 노드가 되었습니다.

 

 기술 노드 앞에 붙어있는 길이는 원래 MOSFET을 연결하는 배선 간격의 절반 크기와 같았으며, 이 크기는 MOSFET의 게이트 길이와 대략 비슷한 크기입니다.

 

 소자의 게이트 길이가 점점 짧아지면서 MOSFET 게이트의 길이를 줄이기가 어려운 상황이 되었고, 단순히 소자의 크기를 줄이는 방법 이외의 방법을 사용하게 되었습니다.

 현재 기술 노드의 이름은 MOSFET 소자의 특정 크기를 나타내는 것이 아니고 MOSFET 성능의 향상을 상징하는 지표로써 기술의 세대 구분을 위한 용도로 사용되게 되면서, 게이트나 배선 간격의 길이를 의미하지 않고 기술의 성능을 자랑하기 위한 마케팅 측면에서 붙여지는 경우가 많습니다.

 

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포토리소그래피

 소자가 미세화되면서 작아지게 되면 반도체 집적 공정은 계속해서 어려워질 수밖에 없습니다.

 

 가장 어려워지는 공정은 메모리 8대 공정 중 흔히 Photo라고 부르는 포토리소그래피 공정입니다.

 

 반도체 직접 소자를 만들 때는 웨이퍼 전체에 공정이 진행돼야 하는 부분과 아닌 부분을 구분해 줘야 하는데, 그렇게 표시해 주는 공정이 포토리소그래피 공정입니다.

 

 이 포토리소그래피라는 공정은 쉽게 설명하면 실크 스크린 인쇄법과 유사합니다. 그림이 그려져야 하는 부분을 비우고, 그림이 그려지지 않아야 하는 곳은 가려둔 뒤 잉크를 뿌리면 가려지지 않고 비어있는 부분에만 잉크가 묻게 될 것입니다.

 

 

 이런 방식과 동일하게 반도체 공정에서는 포토 레지스트라는 빛에 반응하는 물질은 웨이퍼 전면에 뿌려주고, 그림을 그리길 원하는 부분만 빛을 쪼여주어 용매에 녹을 수 있는 상태로 만들어 줍니다.

 

 당연히 가려져서 빛을 받지 않은 부분은 용매에 녹지 않고 남아 있을 것입니다. 이런 방식으로 빛을 이용해서 찍어내는 포토리소그래피는 1955년 벨 랩에서 부터 시작되었습니다.

 소자가 계속 작아져야 하면서 빛을 이용하여 그림을 그리는 방법도 지속해서 변화가 생겨야 했습니다.

 

 

 

 작게 그릴 수 있는 크기가 빛의 파장에 비례하기 때문입니다. 왜냐하면 빛은 장애물이나 좁은 틈을 통과하면서 회절 하는 특성이 있는데, 이런 특성 때문에 보통 마스크 끝부분에서 회절이 발생하면서 모양이 명확하지 않고 흐릿하게 찍히게 됩니다.

 

 이 회절이라는 특성 자체가 빛의 파장 크기에 비례하기 때문에 큰 파장은 큰 회절을 일으키게 되면서 마스크에 있는 작은 모양이 구별할 수 없는 상태가 되는 것입니다.

 

 두꺼운 펜이나 커다란 붓으로 미세한 글씨를 쓸 수 없는 것과 비슷한 형태입니다. 그렇기 때문에 소자의 크기를 작게 만들기 위해서는 포토리소그래피 공정에서 사용해야 하는 빛의 파장도 점점 작아져야 했습니다.

ArF와 EUV 차이

 이 빛은 포토리소그래피 공정 초창기에는 400 nm 수준의 파장 빛이 나오는 수은 전등을 사용했으나, 1990년대 초부터는 ArF 기체를 사용하는 248nm를 사용하였고, 이후 기술의 발전으로 ArF 기체에서 193nm 파장의 빛을 사용하고 있습니다. 빛은 파장이 작을수록 입자의 에너지가 커지게 됩니다.

 

 그렇기 때문에 짧은 파장의 빛을 만들기 위해서는 더 많은 에너지가 필요하게 되고 공정이 어려워지게 되는 것입니다.

 

 소자가 계속 작아지면서 193nm의 파장으로는 미세한 패턴을 그리기가 어려워졌지만 작은 파장을 만들기가 어려웠기 때문에 193nm의 빛을 계속 사용하게 되었습니다.

 

 그러나 소자 미세화가 계속 진행되면서 ArF를 이용해서 빛을 만드는 게 어려운 수준까지 도달하게 되었습니다.

 

 그래서 개발하게 된 것이 13.5nm 크기의 파장을 갖는 EUV입니다.

 

 EUV는 지구상에 존재하지 않는 높은 에너지를 갖는 빛이기 때문에 공정을 진행하는 데에도 엄청난 에너지와 돈이 필요합니다.

 

 그리고 EUV라는 빛을 이용한 포토리소그래피를 만들기 위해서는 엄청나게 많은 개발비가 필요했기 때문에 여러 회사에서 돈을 모아 한 회사에 개발을 맡겼고, 이렇게 개발과 생산을 진행한 회사가 네덜란드의 ASML입니다.

 

 

ASML의 EUV 장비

 

 ASML에서 만든 EUV 장비는 2018년 삼성의 7nm 공정에 처음으로 사용하고 생산에 참여하게 되었으며, 현재는 TSMC를 포함한 여러 회사에서 미세한 패턴을 만들기 위해 EUV 장비를 사용하고 있습니다.

 

 이렇게 개발된 EUV 장비는 대당 가격이 1800억원 정도로 알려져 있는데, 소자 미세화를 위해 필수적으로 필요한 장비가 되어 수요보다 공급이 부족한 상태로 ASML은 흔히 슈퍼을이라고 부를 정도로 중요한 장비 공급업체가 되었습니다.

 

지금은 ASML에서 하이 NA EUV가 개발되고 있어, 곧 한 단계 더 미세화가 이뤄질 예정입니다.

 

 

2나노 반도체, ASML 하이 NA EUV 개발 현황은?