[반도체공학]웨이퍼 제조공정 - Current and Future Trend of Wafer Diameters in microelectronis 7부






반도체 제조공정은 공정설비가 굉장히 고가이고, 공정기술 또한 그 변화가 예측할 수 없을정도로 빠르다. 또한 미세공정이기 때문에 조금의 실수도 허용이 되지 않으며, 더 우수한 제품을 만들기 위해서는 요구도를 만족하기 위해 더 복잡하고 정교한 기술을 필요로 한다. 이런 반도체 제조공정의 기반이 되는 재료산업은 앞서 언급했듯이 현재 SK실트론이나 SK 하이닉스 반도체등 국내에도 여러회사가 제조를 맡고있다.


급격하게 변하는 세계의 변화에 발빠르게 대처하기 위해 지금도 연구가 계속 진행되고 있는데, 특히 웨이퍼의 직경을 늘리기 위해 전 세계의 반도체 회사들은 지금 반도체전쟁을 하고 있다고 해도 과언이 아니다. 반도체의 원가 싸움은 곧 생산량에 좌우되는데 웨이퍼의 직경이 늘어나면 수율향상과 더불어 생산량을 상승시키는 효과를 가져온다. 이처럼 신 기술 연구에 성공하면 공급과 가격면에서 월등히 강세를 보일수 있기때문에 앞다투어 연구가 진행되고 있는것은 물론, 경쟁에서 뒤처지지 않고 살아남기 위해 기업들간의 개발경쟁이 치열해 지고 있는 것이다.


현재 한국은 80년대부터 반도체 최강국인 일본을 제치고 10여년간 세계반도체 시장을 점유해왔다. 그러나 지금 세계 반도체기술의 변화정도가 워낙 급격히 진행되고 있고, 예측할 수 없어서 현재의 상황에 만족할 수 만은 없다. 어느 전문가는 웨이퍼크기의 새로운 발전이 10년에 1번정도의 주기로 바뀐다고 예측한 바 있지만 시간이 지날수록 주기의 간격이 점점 짧아질것이라는 예측이 대다수이다.


일단 새로운 크기의 웨이퍼가 개발되면 이미 이전 웨이퍼는 그 시장가치가 떨어지고, 최악의 사태 경우 기술을 쫒아가지도 못할 뿐 아니라 보유하고 있는 제조라인장비 마저 모두 새로 바꿔야 될 수도 있다. 때문에 10여년간 최강의 자리를 지켜온 한국으로서도 새로운 크기의 웨이퍼 개발, 라인제조가 시급한 형편이다. 그러므로 변화를 미리 예측하고 끊임없이 연구개발하는 길만이 앞으로 반도체 제조전쟁에서 살아남을 수 있는 길이 될것이다.


현재 반도체 시장을 점유하고 있는 웨이퍼의 직경은 300mm(12인치)이다. 300mm웨이퍼를 사용할 경우 200mm에 비해 생산량이 2.25배 정도 높은것이 가장 큰 장점이다. 웨이퍼 하나를 가공할 경우 반도체 수백 개가 나오는데, 300mm라인을 1개 설비하면 200mm라인 2개 이상이 생기는 것과 같은 효과가 발생하며 생산량과 가격면에서 월등한 위치를 선점하게 된다. 아래에 보이는 것이 과거부터 현재까지, 웨이퍼직경의 발전 및 변천사를 나타내는것이다. 향후 예상되는 미래의 기술도 표시해 놓았다.


1970년

3~4″웨이퍼

(150mm)

→

1980년~90

6~8″웨이퍼

(200mm)

→

2001년~

12″웨이퍼

(300mm)

→

미래진행

18″웨이퍼

(450mm)


300mm웨이퍼는 2001년부터 연구가 시작되어 현재에는 많은 국가들이 300mm의 제조라인을 구축하기 위해 장비를 전면 교체하였으며 높은 성능으로 사용화가 되고 있다. 전문가들은 300㎜ 웨이퍼는 지난 90년대 6인치에서 8인치(200㎜)로의 세대교체보다 훨씬 더 큰 폭발력을 지니고 있어 향후 10년 이상 반도체 업계의 판세를 결정짓는 계기가 될 것으로 보고 있다. 그럼 이제 현재 반도체 기술의 대세인 300mm웨이퍼의 현황을 살펴보겠다.


Current Trend of Wafer 300mm



1. 300mm 웨이퍼의 필요성

300mm 웨이퍼는 왜 필요시 되고 있는 가?. 한마디로 말하면, 반도체를 대량생산함과 동시에 싸게 생산하기 위한 유력한 수단이기 때문이다. 반도체의 역사, 특히 IC와 LSI의 역사는 웨이퍼 대구경화의 역사이기도 하다. 전자산업기기 시장의 성장과 함께, 반도체 탑재율은 계속 증가하여 왔지만, 동시에 반도체의 사용자로부터는 저가격화와 고부가가치화의 양립이 항상 요구되어 왔다. 그와 같은 사용자 요청에 부응하기 위해, 즉 대량의 칩제작을 통한 디바이스의 가격을 낮추기 위한 해답의 하나로서 고안되었던 것이 실리콘 웨이퍼의 대구경화였다. 


그 경향은 최근에도 변함없이, 꾸준히 지속되고 있으며, 현재는 200mm(8인치) 웨이퍼가 메모리, 로직등 최첨단 LSI의 생산라인에서는 주류가 되고 있지만, 300mm 웨이퍼가 그 다음을 짊어질 차세대 주자로서 도입 준비가 착실히 진행되고 있다. 가격을 낮추기 위하여 웨이퍼 1매당 생산할 수 있는 칩 획득수(유효칩수)를 증가시키는 것이 필수불가결한 요소이며, 그 방안으로는 웨이퍼의 대구경화와 디자인룰의 미세화가 있다. 디자인룰이 동일하다고 가정한다면, DRAM과 Flash Memory에서는 대용량화가, Logic, System LSI에서는 트랜지스터의 증가와 복수IP 집적에 의한 System-On- Chip화가 진행되는 과정에 있기 때문에 양쪽 모두 칩 사이즈는 대형화되고, 칩 획득수는 감소하게 된다. 


따라서 생산수량의 증가시키는 방안과 디자인룰의 미세화에 의한 칩 사이즈의 소형화를 동시에 추진해 나가는 것이 생산성을 증대시키는 가장 효율적인 방법인 것이다. 그러나, 이것은 결코 쉬운일이 아니다. 디자인룰의 축소는, 단순히 선 폭을 좁히면 되는 것이 아니고, 공정 기술상의 혁신이 반드시 수반되어야만 한다. 앞으로의 DRAM과 System LSI의 공정에 있어서도, 보다 미세한 파장의 리소그래피기술의 실용화와, 저유전율절연막, Cu 배선의 실용화, 디바이스 구조의 혁신(새로운 셀구조의 개발과, 다층배선 구조의 채용을 통한 평탄화의 실현) 등, 넘지 않으면 안 될 벽이 가로막고 있다. 그 때문에, 300mm웨이퍼가 도입되게된 것이다.

 

2. 300㎜의 장점

반도체 원가 싸움은 생산량에 좌우된다. 지름이 12인치인 300㎜ 웨이퍼는 조밀한 회로를 더욱 얇게 그려 넣을 수 있다. 200㎜에 비해 생산량이 2.25배 높은 것이 가장 큰 장점이다. 웨이퍼 하나를 가공할 경우 반도체 수백 개가 나온다. 300㎜ 라인을 1개 설비하면 200㎜ 라인 2개 이상이 새로 생기는 것과 같은 효과가 발생하며 공급과 가격 면에서 월등히 강세를 보이게 된다. 지난 80년대 반도체 최강국인 일본을 제치고 10여년간 세계 반도체 시장의 강자가 된 한국으로서는 300㎜ 라인의 선점이 무엇보다도 시급한 과제이다.

 

3. 주요 반도체 업체들 300㎜ 투자

한국과 일본·대만·미국 등 반도체 업체들이 생산설비 투자에 들어가 있다. 기선을 제압한 곳은 삼성전자. 지난 2001년 9월 가동을 시작해 현재 11라인에서 월 1만장, 12라인에서 월 4만장을 생산하고 있다. 올 하반기에는 기흥 14라인에 300㎜ 플래시메모리 전용 라인과 시스템LSI 라인을 가동할 전망이다.


하이닉스반도체는 이천 M-10 라인, ST마이크로와 합작한 중국공장, 대만의 파운드리(수탁생산업체) 프로모스 등 300㎜ 라인을 3개 확보하고 올 상반기 내에 월 2만~3만장 규모로 양산을 시작한다. 인텔은 미국 오리건과 애리조나에서 65나노 공정을 준비 중이며, 텍사스인스트루먼트(TI)도 3개 라인이 가동에 들어갔거나 곧 가동할 예정이다.


1000억엔을 들여 단일공장으로는 세계 최대 규모인 일본 엘피다메모리의 히로시마 공장은 1만5000장 규모로 생산을 시작해 생산능력을 10만장까지 확대할 계획이다.


 

Current Trend of Wafer 450mm


1. 450mm의 상용화

ITRS 로드맵에는 2012 년 450mm 웨이퍼 크기가 포함되어 있지만 아직까지는 이 문제에 대한 본격적인 논의가 이루어지지 않고 있다. Semicon West에 참가한 업체들의 의견은 다이 크기가 크고 생산 규모가 큰 Intel사 같은 업체들은 대형 웨이퍼가 필요하겠지만 그 밖의 대다수 칩 업체들은 450mm 웨이퍼에 대해 크게 매력을 느끼지 않는다는 것이다. 이 로드맵에 따르면 300mm 웨이퍼 세대는 2001 년부터 시작되었다. Applied Materials사의 자료에 따르면, 올해 웨이퍼 총 생산용량 중 300mm 웨이퍼로 생산된 비율은 14 퍼센트에 불과하나 새로 도입되는 장비는 대부분이 대형 플래터를 위한 것으로 나타났다.


지난 웨이퍼 세대 전환은 불안정하게 도입됨으로써 300mm 웨이퍼 도입에 심각한 부정적 영향을 미쳤다. 450mm 세대에 있어서는 업계가 좀더 긴밀히 협력함으로써 업계 전반의 요구를 명확히 해야 할 것이라는 주장이 나오고 있다. 450mm웨이퍼의 표준과 프로토타입을 준비하고 최종적인 장비 설계를 시작할 수 있기 까지는 5 년 정도가 걸릴 것이라고 한다.


450mm 웨이퍼가 필요한지에 대해서는 의견이 분분하다. 300mm 웨이퍼만으로도 상당한 크기의 다이를 1만 개씩 생산할 수 있으며, 첨단 선폭 기술을 이용해 소량의 칩을 공급해야 하는 파운드리 업체에게 대형 웨이퍼는 문제를 더 복잡하게 한다. 뿐만 아니라 300mm 웨이퍼 설비를 위해서도 많은 반도체 업체들이 감당할 수 없을 만큼 대규모의 비용을 소요하고 있다. 업체가 300mm 웨이퍼 설비를 구축하고 가동하는 비용을 회수하기 위해서는 연간 매출이 50억 달러는 되어야 하는 것으로 추산된다.






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