조용한 혁명. 삼성전자, 7LPP EUV 생산 개시

이번 주 삼성전자의 발표에서 삼성전자는 파운드리 사업부가 당사의 획기적인 7나노미터(nm) LPP(Low Power Plus) EUV 제조 공정으로 칩을 생산하기 시작했다고 발표했다. 이로써 반도체 업계의 오랜 염원이었던 극자외선(EUV) 리소그래피로의 전환에 중요한 진전이 이루어졌다. 이러한 진전은 7LPP EUV 공정을 통해 완전한 기능을 갖춘 칩을 생산하고 삼성전자의 고객과 파트너가 다양하고 흥미로운 신제품을 만들 수 있다는 것을 의미한다. 예를 들어 Qualcomm Technologies는 올해 초 차세대 Snapdragon™ 5G 모바일 칩셋에 삼성전자의 EUV 공정을 사용할 것이라는 계획을 발표했다. 7LPP EUV 공정으로 만들어진 새로운 칩은 EUV 기술을 통해 이전 4G 칩보다 더 작고 전력 소모가 적도록 만들어졌다. 따라서, 고객은 배터리 지속시간이 길고 슬림한 디자인을 갖춘 제품을 제작할 수 있다. 삼성전자는 EUV 생산 라인으로 출시될 칩이 차세대 스마트폰뿐만 아니라 자율주행차, 하이퍼스케일 데이터 센터, 고성능 컴퓨팅 및 네트워크 장비, 그리고 첨단 인공지능(AI) 애플리케이션에까지 사용되길 기대하고 있다. 앞으로 삼성전자는 화성시에 위치한 S3 팹에서 EUV 칩 생산량을 체계적으로 증가시키는 동시에, 2020년 EUV 생산을 늘리기 위한 새로운 60억 달러 규모의 팹을 인근에 완공할 예정이다. 30년 전 EUV 리소그래피 연구가 시작된 후(EUV의 획기적인 사건 참조), 무어의 법칙에서 예측된 바와 같이, 반도체 산업에서 2년마다 계속 새로운 세대의 칩에 2배 더 많은 수의 트랜지스터를 집적하기 위해서는 더 작고 훨씬 세밀한 회로 패턴을 생성할 수 있는 리소그래피 도구가 필요하다는 것을 깨달았다. 이러한 초소형 칩 기능을 만드는 방법을 연구한 결과, 인간의 눈에는 보이지 않고 전자기 스펙트럼의 고에너지 끝단에서 X-ray에 가까운 EUV 방사선을 사용하는 것이 가장 좋은 방법이라는 결론에 도달하였다. 수십 년이 지난 지금 관점에서 보자면 13.5나노 파장은 현재 광학 리소그래피 시스템에서 회로 패턴을 에칭하는 데 사용되는 193나노 빛보다 훨씬 좁다는 것을 알 수 있다. 그러나 EUV 방사선을 활용하는 것은 쉽지 않았다. 왜냐하면 가시광선 스펙트럼의 빛과 달리 EUV 방사선은 공기를 통해 이동하거나 렌즈로 초점을 맞출 수가 없기 때문이다. 따라서 EUV 리소그래피는 다층 반사 필름으로 코팅된 미러를 사용해 완전한 진공 상태에서 방사선 빔을 이동시키고 초점을 맞춰야 한다. 또한 훨씬 더 강력한 플라즈마 구동 광원은 물론, 새로운 마스크 제조 기술과 감광성 레지스트 재료의 개발도 필요했다 EUV R&D 초기의 업계 리더들은 이러한 장애물도 결국엔 극복할 수 있다 확신했다. 그러나 EUV 리소그래피를 실제 상업적 생산에 도입하는 데 수십 년이 더 걸리고 수십억 달러의 산업 투자가 필요할 것을 인지한 사람은 거의 없었다. EUV 상업적 생산 이러한 어려움에도 불구하고 삼성 파운드리는 EUV 기술에서 확실한 선두 주자로 부상했다. 삼성전자는 대량 EUV 제조 기능의 공격적인 보급을 위해 최선을 다하고 있으며, 현재 7LPP EUV 제조 공정에서 사용되고 있는 기술을 개선하고 미세 조정하면서 지난 10년 동안 상당한 수의 EUV 웨이퍼를 생산했다. 또한 삼성전자는 EUV 리소그래피 장비 업계의 주요 공급업체인 ASML의 주요 고객으로 자리매김했다. 2012년에는 약 6억 5천만 달러 가량의 3%의 소수 지분을 포함한 10억 달러 가량을 ASML에 투자해 ASML의 야심 찬 EUV 개발 프로그램을 지원했다. 또한 내년부터 고객이 자신의 제품에 쉽게 통합할 수 있는 실리콘 검증 IP(설계자산)의 핵심 블록을 개발하기 위해 다양한 에코시스템 파트너와 협력하고 있다. 7LPP EUV IP 포트폴리오의 핵심 중 하나는 112Gbps(gigabit-per-second) 직렬 변환기/역직렬 변환기(SerDes) 블록으로, 이를 통해 칩 설계자는 설계하고자 하는 기기에 초고성능 데이터 센터 및 네트워킹 기능을 추가할 수 있다. 또한 삼성전자 답게 최신 고대역폭 메모리(HBM) 및 GDDR6 DRAM 메모리를 포함한 다양한 종류의 고성능 메모리 IP를 제공할 것이다. 빛나는 미래 7나노 LPP EUV를 사용하면 마스크가 더 적게 필요하고 다중 패터닝 공정에 필요했던 추가 단계를 제거함으로써 칩 제조 공정의 속도가 크게 향상될 것으로 기대하고 있다. 물론 이 최신 기술을 개발하기 위해서는 개당 1억 달러가 훨씬 넘는 EUV 생산 도구의 비용이 들겠지만 생산량의 증가, 개선 및 가속화 같은 경제적 이점이 있다. 이는 궁극적으로 비용을 낮추고 반도체 산업 성장의 새로운 물결을 주도할 것이다. 분명한 것은, EUV 리소그래피의 개발은 어렵고 비용과 시간이 많이 소요된다는 것이다. 그러나 삼성전자는 마침내 본격적인 상업 생산을 앞두고 있으며 향후 전망이 더욱 기대된다. 삼성전자는 EUV를 앞으로 최소 10년 동안 무어의 법칙을 연장할 수 있는 획기적인 기술로 보고 있다. 수십 년간의 끈질긴 노력으로 만들어진 조용한 EUV 혁명이 이제 시작된다.