시스템온칩(SoC)은 하나의 칩에 여러 기능을 통합해야 하므로 SoC 구현을 위해서는 회로선폭 0.1㎛ 이하의 설계 및 공정기술이 요구된다. 공정미세화 수준을 결정짓는 핵심장비는 바로 리소그래피(노광) 장비다.
레이저를 광원으로 사용하는 리소그래피 장비의 기술수준은 SoC 미세공정에 충분히 대응할 수 있다. 0.12미크론 또는 0.13미크론 미세공정의 경우 기존의 불화크립톤(KrF) 광원 스캐너로도 성능 구현이 가능하지만 최근에는 0.1미크론 이하의 초미세공정에 적용할 수 있는 차세대 광원의 불화아르곤(ArF) 스캐너가 잇따라 상용화되고 있다.
ArF 레이저는 파장이 기존 KrF의 248㎚에 비해 193㎚로 짧아 초미세 회로선폭 구현에 필수요소로 부상하고 있다. ArF 레이저 광원은 미국의 사이머를 비롯해 독일의 람다피지크, 일본의 기가포톤 등이 이미 개발을 완료했다.
또 일본의 니콘프레시전과 캐논, 네덜란드의 ASML 등 리소그래피 전문업체들은 레이저 광원 전문업체가 개발한 레이저 발생기를 선택적으로 도입해 0.1미크론 전후의 초미세공정에 적용할 수 있는 차세대 광원의 ArF 스캐너를 잇따라 선보이고 있으며 소자업체들의 간택을 기다리고 있다.
ArF 스캐너인 ‘NSR-S305B’를 개발해 양산중인 니콘은 지난해 8월, 2003년 양산모델인 ‘NSR-S306C’를 발표했으며 인텔, LSI, IBM 등이 니콘의 양산용 ArF 스캐너를 도입해 사용중이다.
ASML은 수년전 우리나라 소자업체에 연구개발(R&D)용 ArF 스캐너인 ‘PAS5500/900’을 공급한 바 있으며 지난해 8월 ArF 광원 발생기를 장착한 신장비 ‘PAS5500/1100’을 선보이고 수요처 발굴에 나서고 있다.
국내 소자업체 중에서는 삼성전자와 하이닉스반도체 등이 3, 4년전부터 ArF 광원 스캐너를 도입해 연구개발(R&D) 분야에 사용하고 있으며 실제 양산라인에 적용할 수 있는 기술적 검토를 이미 마친 상태다.
SoC에 대응하기 위한 반도체 재료업계의 노력은 ㎚급 미세공정을 뒷받침하는 구리배선 공정과 저유전 절연재료 개발에 초점이 맞춰져 있다.
180㎚급 공정기술 등에 적용하던 알루미늄 배선은 구리로 바뀌고 있고 130㎚급부터는 저유전 절연재료도 유전율(k값) 2.5 이하로 낮아지는 추세다. 트랜지스터 동작에 치명적 오염원인 구리와 저유전 절연재료의 결합은 불안정해 선진업체에서도 양산에 어려움을 겪고 있다.
비메모리 분야의 기술확보가 늦은 우리나라로서는 구리배선과 저유전 절연재료 관련기술을 빠른 시간 안에 확보하는 것이 SoC 산업을 활성화시키기 위해 필수적인 과제로 손꼽힌다.
국내 산·학·연은 2007년에 소규모 양산이 시작될 것으로 예상되는 70㎚급 기술공정에 필요한 구리 및 저유전 절연재료 개발에 나서고 있다.
저유전 절연재료 시장은 현재 미국 어플라이드머티리얼스의 화학증착(CVD)방법을 이용한 저유전체인 ‘블랙다이아몬드’와 다우케미컬의 회전코팅(spin-on)형 절연재 ‘실크(SILK)’가 널리 쓰이고 있으며 현재 차세대 절연재료로 유전율을 1.6까지 낮출 수 있는 다공성 CVD와 다공성 회전코팅 그리고 다공성 유기실리케이트(organic silicate) 방식이 절연재료로 치열하게 경합중이다.
이외에 대만 TSMC, UMC 그리고 미국 IBM, 노벨러스시스템, 유럽의 인피니온도 상당한 연구성과를 축적하고 있다.
우리나라는 삼성종합기술연구원, LG화학, 하이닉스반도체, 삼성전자 등 업계와 시스템IC 2010 사업단 등이 관련연구를 진행중이다.
구리 배선기술의 초점은 금속박막형성 기술의 발전에 모아져 있다. 그러나 현재 유전율 2.7 이하 저유전 절연재료를 사용해 130㎚급 제품의 양산이 가능하거나 적정 수율 확보에 성공한 업체는 전 세계적으로 1, 2개뿐이어서 어려움을 겪고 있는 것이 현실이다.
이에 대해 한양대 어영선 교수는 “차세대 반도체 공정에 있어 저유전 절연재료와 구리배선의 문제는 매우 중요하지만 이를 해결하더라도 결국 설계의 문제가 대두될 것”이라며 차세대 반도체 공정기술 개발과정에 있어 재료와 설계의 유기적 소통이 과제임을 지적했다.
<최정훈기자 jhchoi@etnews.co.kr
손재권기자 gjack@etnews.co.kr>