[김수지의 Chip Q] 반도체 핵심 기술? "더 좁게 더 높게"…EUV가 뭐길래

초미세 회로 새겨 넣은 'EUV'…높을수록 여러 번에 쌓는 '낸드', 1000단까지

‘반도체는 어렵다’는 말에 공감하는가? 그럼 질문에서 시작해 보자. 반도체란 무엇인가, 어디서 반도체가 쓰이는가, 정말 반도체가 필요한가, 그렇다면 유망 받는 반도체가 있는가. 함께 이 질문들의 해답을 찾아보자. 반도체 ‘칩(Chip)’에 대해 질문(Question)을 던지면서. <편집자주>
 
반도체 산업은 기술이 곧 경쟁력이다. 최신 기술에서 한번 뒤처지면 이를 따라잡기란 쉽지 않다. 기업들이 선제적인 투자로 기술력을 확보하려는 이유 또한 여기에 있다. 그럼 기술 경쟁력을 좌우하는 핵심 논리가 무엇인지 아는가? 바로 ‘더 좁게 더 높게’다. 이는 반도체에서 자주 쓰이는 단위인 나노미터(㎚)와 단수로 치환된다.
 
기업들이 경쟁하는 주요 시장은 메모리인 D램과 낸드, 그리고 파운드리(반도체 위탁생산)로 나눠볼 수 있다. 파운드리는 반도체 생산을 전담하는 회사를 지칭하지만, 제품이 아닌 사업 분야로도 시장을 구분한다.
 

D램 ‘10나노’, 파운드리 ‘5나노’ 한계…구원투수는 ‘EUV’

D램과 파운드리는 한때 차세대 반도체를 생산하는 데 한계에 부딪혔다. 반도체의 전력 효율을 올리고 성능을 높이기 위해서는 보다 미세한 회로를 웨이퍼 위에 그려야 하는데, 이게 쉽지 않았다.
 
반도체는 ‘포토리소그래피(Photolithography)’라고 하는 노광 과정을 거친다. 이는 핵심 공정 중 하나로 강력하면서도 얇은 레이저 빛으로 웨이퍼에 초미세 회로를 새겨 넣는다. 다만 직접 웨이퍼에 그리는 게 아닌 마스크(Mask)라는 원판에 빛을 쬐어 생기는 그림자를 통해 웨이퍼에 복사하는 방식이다.

 
그런데 기존에 활용하던 노광기술(ArF·불화아르곤)로는 D램과 파운드리 각각 10나노급, 5나노급 이하부터 공정 수 증가, 생산성 하락 등 문제가 생겼다. 한마디로 회로를 그리는 빛이 두꺼워 더 미세한 회로를 그리기 힘들게 된 것이다.
 
여기서 구원투수로 등장한 게 바로 극자외선(EUV) 노광장비다. 이 장비는 대당 수천억원으로 네덜란드 반도체 장비업체 ASML이 독점 생산한다. EUV는 그간 문제였던 ArF의 빛 파장 길이(195㎚)보다 14배가량 짧은 13.5㎚로 더 미세한 반도체 회로를 그릴 수 있게 만들었다. 더 얇은 붓이 생겨 미세한 그림을 그릴 수 있게 된 셈이다.
 
또한 두꺼운 붓으로 여러 번 그리면서 늘어났던 반도체 제조시간까지 줄일 수 있게 됐다. 반도체 회로를 웨이퍼에 여러 번 새겨넣는 걸 ‘멀티 패터닝(Multi Patterning)’이라고 하는데, 이 공정 수를 줄여 정확도는 물론 성능, 수율을 높였다.
 

ASML의 극자외선(EUV) 노광장비 ‘트윈스캔(TWINSCAN NXE:3600D)’ [사진=ASML 홈페이지]

 

“반도체의 초고층 아파트?”…낸드, 300단 넘어 1000단까지

낸드는 흔히 초고층 아파트 사업에 비유한다. 평면(2D)으로 펼쳤던 셀을 보다 진화한 3D 방식으로 바꾸면서 누가 더 높이 쌓아 올리는지가 관건이 됐기 때문이다. 웨이퍼 위에 셀을 높게 쌓아 최대한 많은 정보를 저장할 수 있게 만든 낸드가 가장 앞선 제품으로 평가받는다. 아파트로 비유하자면 비싼 땅(웨이퍼) 위에 더 많은 층(셀)을 만들어 효율을 높이는 것이다.
 
다만 무조건 높게 쌓아 올리는 게 다가 아니다. 이른바 부실 공사가 되지 않도록 어떤 방법으로 쌓아 올리는지도 중요하다. 각 층을 엘리베이터처럼 이어줄 구멍 ‘채널 홀(Channel Hole)’을 균일하게 뚫어야 하는데, 단수가 높을수록 일정한 구멍을 내기가 어렵다.
 
이에 여러 번 나눠 구멍을 뚫고 쌓는 기술을 적용하고 있다. 예컨대 300단일 경우 한 번에 모든 셀에 구멍을 뚫는 건 ‘싱글 스택(Single Stack)’, 150단씩 2번에 나눠 구멍을 뚫고 올리는 방식인 ‘더블 스택(Double Stack)’이 있다. 이는 3번에 나눠 쌓는 트리플 스택(Triple Stack)으로도 이어진다. 이미 낸드 시장은 300단을 넘어 1000단 양산까지 바라보고 있다.
 

SK하이닉스의 세계 최고층 321단 4D 낸드 개발 샘플 [사진=SK하이닉스]

 
*알아야 할 기본 용어*

D램 = 휘발성 메모리. 데이터의 임시 기억 장치로 전원이 꺼지면 데이터가 사라짐.

낸드(플래시) = 비휘발성 메모리. 데이터의 저장 장치로 전원이 꺼져도 데이터가 보존됨.

나노미터(㎚) = 1㎚는 1m를 10억개로 나눈 후 1개에 해당하는 길이. 통상 반도체에서 쓰이는 나노미터 수치는 반도체 칩 사이인 회로의 선폭을 의미.

셀(Cell) = 정보가 저장되는 가장 작은 단위. 반도체 기반인 웨이퍼 위에 다이(Die)를 올리고, 다이 안에 셀을 넣음.

마스크(Mask) = 반도체 회로 설계를 유리판 위에 금속 패턴으로 만들어 놓은 원판.

수율 = 전체 생산품 가운데 질이 좋은 제품의 비율. 반도체는 미세한 제조 환경 차이에 따라 쉽게 불량품이 나와 수율을 높이는 게 관건.