- 리소그래피 기술 개발 지연 -

반도체의 기술 혁신의 근원이 되어 온 무어의 법칙(지식리포터 주 1)이지만 이제 한계가 보이기 시작하고 있다. 그 원인의 하나가 리소그래피(지식리포터 주 2) 기술 개발의 지연이다.

`무어의 법칙`은, 수십 년간에 걸쳐 반도체의 기술 혁신의 원동력이 되어 왔다. 하지만 차세대 노광 기술이라고 기대되는 EUV(극단(極端) 자외선) 리소그래피 기술의 개발이 지연되고 있기 때문에 그 기세는 감속하고 있다. 2012년 9월 30일~10월 4일에 벨기에의 브뤼셀(Brussels)에서 개최된 EUV 리소그래피의 국제회의 `2012 International Symposium on Extreme Ultraviolet Lithography(2012 EUVL Symposium)`에서 전문가는 이러한 견해로 일치하였다.

차세대의 14nm 노드의 회로 패턴을 노광하려면 EUV 시스템은 기존보다 20배 강한 광원을 필요로 한다. 2012 EUVL Symposium에서의 논의 후 어느 리소그래피 기술의 연구팀은 “2014년까지 EUV 리소그래피용 200W의 광원이 개발되는 것을 기대하고 있다. 그러나 그 실현은 더 먼저 될 것”이라고 언급하고 있었다.

벨기에 연구기관인 IMEC의 연구팀은 2011년에 네덜란드의 리소그래피 장치 벤더인 ASML이 개발한 EUV 리소그래피 시스템 `NXE 3100`을 도입하여 200W보다 약한 광원을 사용하여 약 3,000매의 웨이퍼를 처리하였다. 그러나 수백만 달러에 달하는 동일한 시스템을 도입하여도 Intel이나 Samsung Electronics, TSMC 등의 반도체 메이커가 상용화하고 있는 프로세스에 비해 1/15~1/30의 처리량(throughput) 밖에 달성되지 않았다.

IMEC에서 최신 리소그래피 프로그램의 디렉터를 맡는 Kurt Ronse씨는 2012 EUVL Symposium의 강연의 마지막에 “EUV 리소그래피용 광원은 과거 3년간 20배로 강해질 수 있었다. 그러나 EUV 리소그래피 기술을 실용화하려면 향후 2년간 광원을 보다 20배로 강하게 한다고 하는 위업을 달성해야 한다”고 말했다. IMEC의 연구 그룹은 2016년까지 500~1000 W의 광원을 개발하여야 한다고 강조하고 있다.

EUV 리소그래피 기술 개발의 지연에 의해서 반도체 업계는 무어의 법칙의 다음 단계를 진행하지 못하고 멈추어 있는 상태이다. Ronse씨는 “반도체 업계는 차세대 기술로서 14nm 프로세스의 실용화를 목표로 하고 있지만 실제 기술개발은 16nm 또는 17nm에 머무를 것으로 예상된다”고 언급하고 있다.

예를 들면 SRAM은 EUV 리소그래피 기술이 없으면 14nm에 미세화하는 것은 불가능하다고 한다. 이것은 각 기능의 회로를 인접해서 배치하려면 멀티 패터닝에서는 한계가 있기 때문이라고 한다.

Ronse씨는 “EUV 리소그래피 기술이 확립되면 무어의 법칙에 근접할 수가 있다. 현재 EUV 리소그래피용 광원은 다양한 재료를 사용하여 개발되고 있다. 가까운 장래에 EUV 리소그래피 기술이 확립되는 것은 확실하지만 2년 이내의 실용화는 상당히 어렵다”고 말하고 있다.

Intel과 TSMC는 최근 EUV 리소그래피 기술의 실용화를 위하여 ASML에 수십억 달러의 투자를 실시할 것을 발표하였다. 또한 Intel은 2013년에 14nm 노드, 2015년에 기존의 액침 리소그래피 기술로 10nm 노드를 실용화할 계획도 발표하였다. Intel은 EUV 리소그래피 기술의 도입이 2015년에 도달하지 않는 경우 액침 리소그래피의 패터닝을 기존의 5배로 늘려 회로 패턴을 형성할 것이라고 한다. 이 방법으로는 시간과 비용이 들지만 그래도 반도체 제조의 효율화는 도모할 수 있다고 한다.

IMEC는 ASML의 NXE 3100의 도입 이후 현재까지 처리량을 60% 이상 높였다고 한다. Ronse씨에 따르면 `최초 6개월은 안정된 정밀도를 얻을 수 없었다. 구형의 광원에 문제가 있었기 때문에 처리량이 50%에서 10%로 떨어진 적도 있었다`고 한다.

(지식리포터 주 1) 무어의 법칙 (Moore`s law)
반도체 집적회로의 성능이 18개월마다 2배로 증가한다는 법칙이다. 경험적인 관찰에 바탕을 두고 있고 인텔의 공동 설립자인 고든 무어가 1965년에 발표한 내용이다.
(지식리포터 주 2) 리소그래피(Lithography)
Photolithography의 약자로 감광성의 물질을 부분적으로 노광하는 것으로 패턴을 생성하는 기술로, 반도체, 집적회로, 인쇄용 판을 작성하는데 이용된다.