차세대 반도체 기술동향 (1)
저자: 이치우 / KSIA
300㎜지름 웨이퍼를 이용한 130㎛ 이하의 가공 Size를 가진 반도체 Device의 양산이 개시되고 있다. 반도체산업이 현재 하강기로 접어들었지만, 21세기의 전망은 밝다. 그러나, 미세화․고밀도화를 향한 기술적인 과제는 아직 많아서 개발에 손을 늦춰서는 안 된다. 반도체제조프로세스의 많은 과제를 안고 있는 가운데 진화를 계속하고 있다.
1. 반도체 기술 발전과 21세기 전망
21세기의 막이 올랐다. 반도체관련분야에서는 새로운 세기의 순조로운 발전을 예상할 수 있는 호황기를 지나 세계 경기의 급속한 하강추세와 더불어 침체국면이 계속되고 있다. 특히, 2000년 초반의 성장은 지금까지의 정체를 한꺼번에 해소할 기세로 그 번성함은 과열상태라고 할 정도였다. 그러나 2001년에 들어, 그러한 동향에 먹구름이 보이기 시작하였다. 모든 Device 분야라고는 할 수 없지만, 수급의 밸런스가 무너지고 Device에 따라서는 생산조정이 필요하여, 그 결과 설비투자의 재검토, 동결 등이 전세계적으로 검토되고 있다. 그러나 이것도 작년 호황의 반동이라고도 할 수 있고, 그 정도로 비관적으로 보는 견해는 적다. 불황이 찾아오는 것을 염려하기보다는 각 기업에서 이러한 상황에 대처하는 생산계획, 투자계획을 갖는 것이 중요하다. 퍼스널 컴퓨터 등의 최종 응용제품의 시장동향에 민감하게 좌우되는 것이 반도체 Device의 숙명이다. 또한 Device Maker가 끝없이 설비투자를 하는 것도 있을 수 없는 일일 것이다. 그러나 장기적으로는 반도체산업은 성장을 계속하고 있고, 제조기술은 혁신이 계속되고 있는 것은 틀림이 없다.
[그림1] 지역별 반도체생산 점유율 추이
80년대에는 기술 혹은 제조측면에서 일본은 확실하게 리더십을 가지고 있었다. 그러나 90년대초 한국의 급격한 성장, 90년대 후반 대만의 Foundry성장과 그리고 미국의 강력한 기술회복으로 인하여 세계 반도체시장은 질서 재편이 이루어지고 있다.
1) 세계반도체장비시장 동향
아래의 그림에서는 최근 반도체시장과 반도체제조장비 시장의 동향과 향후예측을 나타내었다. 세계반도체시장은 2000년에는 그때까지의 반동으로서 현저히 성장하였다. 2001년 이후에도 순조롭게 성장한다는 예측이다. 그러나 그 성장률은 해마다 감소경향을 나타낼 것으로 예측된다. 금년 들어 반도체산업에 그늘이 보이기 시작하였다. 그에 대응하여 반도체제조장비시장도 2000년의 급증에 반하여 2001년에는 전년에 비해 미세한 증가에 그칠 것으로 본다. 한국의 설비투자 역시 2001년에는 감소할 것으로 예상되고 있다. DRAM 위주에서의 전화과 새로운 고부가가치 제품으로의 System LSI 등에 대한 투자전략이 이어지고, 또한 300㎜ 지름의 라인신설 등이 계속되고 있지만 세계 반도체산업의 최근의 저조영향을 받아, 투자억제가 검토되기 시작하였다. 일본, 대만도 비슷한 상황이다. 각 지역 모두 경기동향에는 민감하게 반응하여, 투자의 재고, 억제형태로 나타나고 있다.
[그림2] 반도체시장과 반도체제조장비시장 2) 반도체제조기술의 목표 300㎜ 지름 Wafer/130㎛ Rule이 현재의 반도체제조기술의 목표가 되고 있는 것은 틀림없지만, 양산라인에의 투자비 감소와 최첨단기술의 개발이라는 면에서도 영향이 없다고는 할 수 없다. 그러나, 장기적으로는 반도체기술은 더욱 발전하고, 산업으로서 성장하는 것도 틀림없지만, 그런 것을 효율적으로 추진하기 위한 재검토 시기에 있다고도 할 수 있다. 또한 한편으로는, 반도체의 설비투자나 장비단가가 고액인데다가 Module단위가 되기 때문에 투자금액이 더욱 늘어나는 것도 과제이다. 
300㎜/130㎛의 기술은 아직 미확정 요소도 많고, 결정적 요소가 되는 기술이 특정적이지 않다. 그것만으로도 “개발”이라는 것이 지금까지와 달리 중요한 시대가 되는 것이다.
[그림3] 산?학?연 제휴로 추진중인 차세대반도체 기술개발 3) 일본의 반도체부활을 위한 접근 방향 먼저 21세기부터 정식으로 시작되는 반도체기술재생을 위한 산․학․연 공동개발 프로젝트에 대해 언급해두자. 올해부터 몇 가지의 새로운 프로젝트가 시작된다. ｢ASUKA｣라고 칭하는 이 프로젝트는 Selete와 함께 최첨단 혹은 기초적인 가까운 미래의 반도체기술을 확립하는 것을 목표로 하고 있다. Selete는 300㎜/100㎛를 먼저 지향하지만, 산․학․연의 프로젝트에서는 70～50㎛를 목표로 개발이 진행 된다. 더구나 Device 구조, Architecture 등도 기술과제이다. 1970년대의 VLSI 연구조합이 지향한 장비․Process 개발에서 한 걸음 진보한 “기반기술확립”이 목표로 거론되고 있다. “고효율 차세대 반도체제조 System 기술개개발”은 다품종소량생산을 위한 소위 “Mini Fab”형태이다. 이 Mini Fab이 앞으로 일본 반도체의 부활을 위한 열쇠가 될 것이다. 이러한 Project가 정말 일본의 재생으로 연결될 것인지, Mini Fab의 발상이 지당한지는 21세기 초두의 2～3년 안에 결론이 날 것이다. 구체적으로 어떠한 개발 테마가 선택될 것인지는 Selete가 작성한 Roadmap에 있어서, FEOL (Transistor구조 혹은 기판공정)과 BE- OL(배선공정)으로 구분하여 나타내고 있다. 前者에서는 100～70㎛ Device를 위한 High-k(고유전율) 막재료 개발이 중심이고, 後者에서는 Low-k(저유전율) 막재료개발과 Cu 배선 Mo- dule 개발이 중심이다. 이에 관련하여 주변 Lithography기술 등의 개발이 필요한 것은 말 할 필요도 없다. 
4) 300㎜化를 위한 과제
작년 후반부터 300㎜ 지름 Wafer를 이용한 제조 Line의 신설이 진행되어, 이미 제품출하도 일부 이루어지고 있다. 300㎜화의 장점은 생산성향상과, Chip 제조원가의 저감에 있다. 試作 및 소규모의 양산을 거쳐, 그러한 장점을 충분히 찾을 목적에 부합한 단계에 있다고 보아도 좋을 것이다. 제조장비로서는 200㎜ Wafer와 동등한 성능을 가지게 되었다고 보아도 되지만, 일부 장비에서는 균일성 혹은 재현성에 문제가 남아있다. 바닥면적의 증대나 Throughput의 저하는 여전히 문제이며, 장비로서 완전한 자동화가 불가피하다. 성능면에서는 CVD나 Etcher, Throughput면에서는 Step- per나 이온 주입장비에 과제가 남아 있다.
[그림6] Wafer크기에 따른 제조단가 비교 다음그림은 200㎜와 300㎜ Wafer에 있어서 Chip 제조원가의 비교와 Wafer 가공을 위한 Cost 분석이다. 매월 2만장의 Wafer투입을 하고, 장비의 가격비를 1.3, Wafer 가격비를 3.7로 하여 얻은 결과이다. 이것은 「SC 300」이라 불리는 독일에서의 프로젝트 보고이지만, 결과적으로 300㎜화에 의하여 Chip 수량은 약 2.5배가 되며, Chip Cost는 200㎜ Wafer사용의 약 40%가 된다. Wafer 가격을 포함한 1장 당 가공 Cost는 45% 증가라고 생각하고 있다. Cost 분석내용은 200㎜와 300㎜에서는 거의 변하지 않는다. 300㎜ 지름 Wafer에 의한 Device 양산 라인에서는, 먼저 200㎜ 지름 Wafer용과 동일 컨셉의 장비가 이용될 것으로 생각된다. 현재 300㎜를 위한 장비로서 새로운 대책은 도입되어 있지 않다. 그러나 다음 항에서 말하는 신 재료, 신 Process를 위한 장비로서 개발되는 것은 당연히 300㎜ 지름 Wafer의 적용을 예상한 것이다. 
[그림7] Damascene Gate MOS Transistor 구조의 공정도
5) Process 개발동향
Selete의 Roadmap에서 보듯이, Low-k, High-k 등의 신재료기술 개발은 현재 가장 중요한 테마이다. 그 개발을 위하여 주변의 Lithography, 박막형성기술, 가공기술의 개발과 장비의 완성도향상이 이루어지고 있다. Low-k, High-k 재료기술은 소위 Process Integration 그 자체이고, 많은 기본 Process가 복합화된 Module 기술이다. 따라서, 이러한 테마는 주변의 많은 Process․재료기술의 개발도 의미하고 있다.
Process의 前공정(FEOL)에서 가장 중요한 개발과제는 High-k재료이지만, 이것은 100㎛ 이하, 50～70㎛ Level의 MOS Transistor 형성기술과 관련이 있다. 새로운 SiO2에 대신한 Gate 절연막을 위한 기술이며, Gate 길이를 짧게 하기 위한 Transistor 구조의 연구도 최근 많이 개발되고 있다.
한편, Process의 後공정(BEOL)에서는 Low-k재료의 개발과 Cu Damascene 배선구조와의 Integration이 중요하다. 특히 Low-k막에서 k의 값이 3.0 → 2.5 → 1.5와 Transistor Size의 축소에 대응하여 감소시켜야 할 필요가 있기 때문에, 앞으로 수 년간은 그 단계에 따른 개발이 진행되고 있다. 작년 12월에 미국에서 개최된 국제전자 Device 회의(IEDM)에서의 발표에서 이상의 내용에 대한 주목할 예를 몇 가지 소개한다.
또한, 100㎛ 이하의 미세화 MOS Transistor의 개발 예로서, 다음그림은 그 Process Flow를 각각 나타낸다. 첫 번째 그림은 Damascene Transistor라 불리는 구조로, Gate 전극과 Damascene 법으로 형성하기 때문에 Gate Size를 정확히 가공할 수가 있다. 둘째는 50㎛ Gate의 Transistor 형성법으로 Silicon의 측벽부에 두께방향으로 Gate를 형성하고 있다. 10년전에는 Trick이라 생각되었던 기술도 주변의 가공기술의 진보에 따라 Trick이 없이 형성된 예라 할 수 있다. 셋째는 50㎛ Transistor이며, 前者와 같은 컨셉이지만, 여기서는 Silicon의 선택적 Epitaxial 성장법이 이용되고 있다. Gate 절연막 재료로서 비유전율이 큰 막을 이용하는 시도도 한창이다. SiO2의 Gate 절연막으로서의 한계는 5～7㎛라고 생각되기 때문에, 비유전율이 높은 막을 이용하여 막두께를 확보한다는 생각인데, Ta2O5, Al2O3, HfO2, ZrO2 등이 검토되고 있다. 또한 IEDM에는 Pr2O3(산화 프라세오디미움)을 이용한 예가 있다. Pr은 렌터니드계(희토류(希土類)) 원소의 하나이다. Leak 전류가 적은 것이 다른 High-k막보다도 우수하다고 한다.
Memory의 Capacitor구조에서도 많은 개발이 여전히 진행되고 있어, 신재료의 적용이 한창이다. <그림 10>은, Ru(루테니움)을 축적전극 및 Plate 전극으로 이용, Capacitor로서 BST 혹은 Ta2O5막, Barrier 층 혹은 Passivation 층으로서 Al2O3를 이용하고 있다. 다음그램은 Ru의 응용에 의한 Ta2O5 Capacitor이다. 이러한 구조형성에 있어서는, 각종 박막의 형성기술, 가공기술 등이 요소기술로서 중요하다.
이상 이외의 최근 Process 상의 과제로서는,
․ SOI(접합 혹은 SIMOX)
[그림8] 50㎛ Transistor：VRG (Vertical Side Wall Transistor)의 Process Flow(Infineon)
․ Si-Ge 헤테로 접합 Device
․ Embedded 구조 (DRAM과 Logic의 혼재)등이 거론되고 있다. 이런 것들은 모두 제조장비 및 재료기술과 밀접하게 관련하고 있다.
[그림9] 50㎛ Transistor：VRG (Vertical Replacement Gate) pMOSFET Process Flow(Bell Lab.)
6) 반도체제조장비 동향
다음 그림은 1999～2002년까지의 카테고리별 반도체 제조장비의 누계 성장율이다. 작년의 평균성장율은 30% 정도로, 평균이상의 성장률을 나타내는 장비분야로서 도금장비와 회전도포 성막장비가 포함되어 있다. 이것은 다층배선공정에서 Low-k와 Cu의 Integration에 의한 Damascene구조를 예측한 것이다. In-tube Type의 CVD 장비는 Plasma CVD장비 및 Metal CVD장비 등이며, 회전도포 성막이나 도금에 의한 Cu막 형성 등이 증가하는 것에 대응한 추정이다. 이러한 예측도 앞으로의 기술동향에 의해서 변화할 것임은 틀림없다.
작년 12월의 Semicon Japan에서도 볼 수 있었듯이, 최근 반도체제조장비의 동향은 300㎜화, Module화를 중심으로 하여 유추하고 있다. 또한, Stepper Maker가 Quarter Developer의 Maker 혹은 CMP장비 Maker와 Alliance를 도모하는 등에서 볼 수 있듯이 기술의 집약화가 계속 진행되고 있다. Cu, Low-k, CMP 등에 새로운 컨셉이나 원리를 기본으로 한 장비가 등장하기 시작, 장비에서 Process 기술이나 재료기술의 중요성이 다시 한번 인식되기 시작하고, 또한 차별화와 다양화의 시대에 들어왔다고 생각된다. 단지 이전과 다른 것은 차별화와 다양화는 장비 Maker와 재료 Maker 측의 일이고, Device Maker의 일은 아니라는 것이다.
<표 1> 반도체 제조장비관련 Topics (2001년)
․ Process Integration에 의한 장비적 대응이 불가피한 VLSI 제조공정의 증가
․ 신 재료, 신 Process에 관련한 장비의 필요성
-새로운 Exotic Material, Exotic Process의 등장
․ 다양화되는 Process, 재료, 장비의 선택지(選擇肢)
-100㎛ 이후의 개발을 위한 새로운 기술경합
-Process와 재료에 의한 차별화의 필요성
․ 장비 Maker간, 장비와 재료 Maker간의 Alliance의 가속
․ 각 분야의 반도체제조장비의 독점화
․ 300㎜ 지름 Wafer 제조 라인의 신설
․ System LSI를 지향한 Mini Fab에 대한 관심
․ Chip의 설계와 생산은 Device Maker에게, 그 제조기술(Process․재료)은 장비․재료 Maker에게, 라는 도식으로의 현저한 추이
․ 제조기술에 대한 Device Maker의 장비 Maker에 대한 의존도 확대
․ 중고반도체 제조장비시장의 활성화 경향
표 1은 2001년, 21세기 초두의 반도체 제조장비관련 Topics이다. 이 중에서는, 중고반도체 제조장비시장의 활성화가 새로운 과제라 할 수 있다. 신진대사, 진부화가 심한 반도체 제조장비분야에서도 Cost 저감, 자원의 유효재이용이라는 관점에서는 대기업이라고 해도 이것을 무시할 수 없으며, 스스로 그 사업에 편승하는 동향이 보인다.
7) 향후 전망
<표 1>에서 나타나듯이, 반도체사업에서는 “Chip의 설계와 생산은 Device Maker에게, Chip의 제조기술(Process 재료)은 장비․재료 Maker에게” 라는 도식이 성립되는데, 그 경향은 해를 거듭할수록 현저해진다. 장비 Maker와 Device Maker의 역할은 10년 전과는 완전히 다르고, 장비 Maker의 Process 개발력은 계속 강화되고 있다. 상대적으로 Device Maker의 Process개발력은 약체화되어 장비 Maker에게 강하게 의존하게 되었다. Process 개발력을 강화하고 있는 것은 주로 미국의 반도체 제조장비기업이고, 현재의 장비 Maker는 Device 성능에까지 조언할 기회가 많아지고 있다.
다음의 그림은 반도체 Device 제조에 있어서 고유기술과 공통기술의 구분이 70년대부터 2000년에 걸쳐 어떻게 추이해 왔는가를 나타내는 것으로, 기본적으로는 장비 Maker와 Device Maker의 역할분담의 변화이다. 즉, 공통기술은 Device Maker에 있어서는 自社에서 끌어안을 필요는 없이, 외부에서 도입하는 즉, 장비․재료 Maker로부터 도입하면 좋겠다는 생각을 나타내고 있다. 그렇게 하면 70년대에 장비 Hardware 만이 Device Maker에서 공통기술이었던 것이 80년대, 90년대를 지나면서, Process Recipe, Process 제어, Process Flow와 같이 공통기술이 고유기술을 침식해 가는 모양을 나타내고 있다. 즉, Process Integration도 이미 공통기술로서 Device Maker에게 제공되는 시대가 되고 있다는 말이 된다. 이러한 동향이 계속 된다면 최종적으로는,
Device Maker：Chip의 설계와 생산
장비 Maker：장비와 제조기술(Process)
이라는 분담이 결정되어 버린다. 더욱이 이러한 수직통합화가 가능한 것은 미국의 반도체 제조장비 Maker 뿐만 아니라 일본의 장비 Maker는 대응할 수 없는 것은 명확하다.
이러한 상황의 장단점은 별개 문제로 하고, 현재 상태로 간다면 이미 피하기 어려울지도 모른다. 이러한 동향 안에 일본반도체산업의 퇴조의 원인이 있고, 또한 재생의 열쇠가 있다고 생각한다.
