반도체 진화 공개: 과거, 현재, 미래 – 전문가 Q&A

반도체 제조의 과거, 현재, 미래: 업계 컨설턴트 칼 화이트와의 Q&A

인텔 공동 창립자 고든 E. 무어가 1965년 처음 제시한 무어의 법칙은 집적 회로(마이크로칩)의 트랜지스터 수가 2년마다 두 배로 늘어나고 컴퓨팅 비용이 최대 절반으로 줄어들어 컴퓨팅 파워가 기하급수적으로 증가할 것이라고 예측했습니다. 반도체 산업은 이 패러다임을 따라잡기 위해 열심히 노력해 왔지만, 경쟁자들이 같은 목표를 향해 노력하고 소비자의 기술 발전 수요가 끊임없는 상황에서 더 적은 공간에 더 많은 처리 능력을 지속적으로 제공하는 것은 쉽지 않습니다.

무어의 법칙 덕분에 "속도가 필요해! 속도가 필요해!"라는 말이 탑건의 추억 어린 대사라기보다 반도체 산업의 일상을 묘사하는 것처럼 느껴질 정도입니다. 이는 최근 업계 베테랑 칼 화이트(Carl White)와의 대화에서 얻은 많은 핵심 시사점 중 하나였습니다. 반도체 산업 공급망 전반의 기업에서 거의 40년을 보낸 칼은 개발과 처리 능력 모두에서 끊임없는 속도 요구에 대한 훌륭한 관점을 제공했습니다. 과거 무어의 법칙을 따라잡기 위해 충분히 빠르게 혁신하는 데 무엇이 필요했는지, 반도체 산업이 현재 직면한 과제는 무엇인지, 가까운 미래에 무엇을 기대할 수 있는지 알아보세요.

스웨즈락 기준점(SRP): 함께해 주셔서 감사합니다, 칼. 본인 배경에 대해 조금 말씀해 주시겠어요?

칼 화이트: 저는 애리조나 출신으로, 애리조나 주립대에서 산업 기술 관리와 기계 공학을 공부한 후 1982년 반도체 공정 툴 OEM인 ASM에서 경력을 시작했습니다. 그곳에서 모토로라가 소유했던 스펙트럼 CVD(Spectrum CVD)로 옮겼고, 이후 소니의 일부가 된 재료 연구 회사(Materials Research Corporation), 도쿄 일렉트론(TEL), 어플라이드 머티어리얼즈(Applied Materials)에서 근무했습니다. 38년 중 28년을 OEM 분야에서, 나머지 10년은 칩 제조사인 모토로라 반도체 제품 그룹에서 보냈습니다. 지난 15년간 ALD(원자층 증착) 기술을 연구하다 작년 ASM에서 은퇴했습니다. 현재 업계 기업들에 컨설팅을 제공하고 있습니다.

SRP: 툴 OEM과 칩 제조 양쪽에서 광범위하게 일하셨는데, 흥미로운 관점을 가지셨을 것 같습니다. 무엇이 이 일을 평생의 커리어로 삼게 했나요?

CW: 매우 빠르게 변화하는 산업입니다. 기술이 끊임없이 변하기 때문에 이 분야에서 일하는 우리들에게 창의성과 지속적인 학습이 필요했습니다. 지루할 틈이 없었죠! 제가 작업한 설계가 변화를 주도하는 것을 보는 것도 흥분되었습니다. 반도체 기술은 거의 모든 다른 산업에서 중요하니까요.

SRP: 반도체 산업의 진화를 이끈 메타 트렌드는 무엇이었나요?

CW: 초기에는 우주 프로그램이었습니다. 나중에는 소비자 기술이었죠. 슬라이드 자에서 휴대용 계산기로, 개인용 컴퓨터로, 스마트폰으로 발전했는데 이는 반도체 기술 진화 덕분에 가능했습니다. 이제 AI와 자율주행차가 변화를 주도하고 있습니다. 한 가지 변함없는 것은 제품을 더 빠르게 생산하고 정보를 더 빠르게 전달해야 한다는 필요성입니다. 더 많은 컴퓨팅 파워에 대한 수요를 충족하기 위해 새로운 반도체 기술이 끊임없이 필요합니다.

반도체 혁신 리더십을 위한 경쟁에서 오는 동력도 있습니다. 이는 기업 간의 경쟁일 뿐만 아니라 글로벌 규모에서 일어납니다. 시간이 지남에 따라 다른 국가들이 반도체 기술 개발을 주도해 왔고, 이러한 역동적인 변화는 때때로 산업 차원의 더 큰 협력으로 이어지기도 합니다. 예를 들어, 1987년 미국 기반 14개 반도체 기업이 미국 정부와 함께 SEMATECH(칩 제조 컨소시엄)를 결성하여 생산하는 칩의 품질을 개선해 글로벌 시장에서 더 잘 경쟁하고자 했습니다. 이는 미국 반도체 산업의 발전을 가속화했습니다. 당시 많은 기업들이 설계, 제조, 칩 기술 판매 등 모든 것을 하려 했습니다. 이들은 전문화하는 법을 배웠고, 이는 다른 기업을 위해 칩을 만드는 파운드리의 창설로 이어져 산업 발전을 더욱 간소화했습니다.

SRP: 칩 밀도와 반도체 기술 진화, 이를 구동하는 전자제품 간의 관계를 설명해 주실 수 있나요? 이것이 칩 생산에 필요한 장비와 구성 요소에 어떤 영향을 미쳤나요?

CW: 소형화는 무어의 법칙을 따라잡기 위한 끊임없는 필요입니다. 칩에 더 많은 트랜지스터를 넣으려면 더 작게 만들어야 합니다. 또한 제조 공정 발전에 맞춰 장비를 조정해야 합니다. 주요 변곡점은 1990년대 후반, 2000년대 초반에 산업이 칩의 기초인 200mm에서 300mm 실리콘 웨이퍼로 이동했을 때였습니다. 이는 주요 제조 및 툴 변경을 요구했습니다. 45nm 트랜지스터용 고유전율(High-K) 게이트 개발로 전자 누설을 줄인 것은 산업의 소형화 추구에서 또 다른 큰 진전이었습니다. 인텔이 이를 생산하는 데 사용된 장비 개발에 참여할 수 있어 운이 좋았는데, 그 변화를 목격하는 것은 흥미로웠습니다. 이제 관점에서 보면 기업들은 5nm 칩 생산을 연구하고 있습니다.

일반적으로 기업들이 더 작은 공정 노드(더 작은 반도체 기술 피처 크기 제조로 더 작고 빠르며 전력 효율적인 트랜지스터 생성)로 이동하려는 시도를 18개월마다 하는 것을 보았습니다. 이는 무어의 법칙 예측(2년마다 더 작은 공정 노드로 이동)을 초과하는 속도입니다. 경쟁자들이 그렇게 하고 있기 때문입니다.

반도체 제조사들은 툴 OEM들에게 칩 성능 측면에서 무엇을 달성하고 싶은지, 어떤 생산 공정이 필요할지 알려줍니다. OEM들은 그런 성능을 가능하게 하는 생산 장비를 개발하고, 그렇게 하면서 스웨즈락 같은 기업들과 협력하여 기존 구성 요소를 찾거나 새로운 구성 요소를 공동 엔지니어링하여 툴을 가능하게 합니다. 이 협업은 반도체 기업들이 혁신 속도를 따라잡는 데 필수적입니다. OEM들이 오늘 필요한 구성 요소를 받을 수 있게 하고, 구성 요소 제조업체들이 산업의 미래 니즈를 예측할 수 있게 돕기 때문입니다.

SRP: 특정 전자 애플리케이션에 대한 시장 수요가 반도체 혁신을 이끄나요, 아니면 칩 기술 발전이 보통 시장 수요를 선도하나요?

CW: 양쪽 다 될 수 있습니다. 때로는 반도체 기술을 끊임없이 진화시켜야 한다는 일반적인 압력이 시장이 기술을 어떻게 활용할지 알기 전에 돌파구로 이어질 수 있습니다. 예를 들어 1990년대에는 컴퓨팅 능력이 급속히 발전했지만, 칩 기술의 모든 힘을 활용하는 데 필요한 소프트웨어 지식과 기술이 부족해 애플리케이션이 처리 능력에 뒤처졌습니다. 하지만 다른 경우에는 기존 애플리케이션이 더 많은 일을 할 수 있도록 지원해야 한다는 압력이 있을 수 있습니다. 지금 AI 애플리케이션을 가능하게 하기 위한 더 많은 데이터 처리 필요성에서 이를 더 많이 봅니다.

근본적으로 우리는 세 가지 수요 시대를 보았습니다. 1960년대부터 1980년대까지는 컴퓨터와 계산 장비를 가능하게 하는 것이 전부였습니다. 당시 칩에는 수천 개의 트랜지스터가 있었습니다. 1980년대부터는 노트북과 휴대폰 같은 모바일 기술을 가능하게 하는 쪽으로 강조점이 이동했습니다. 이 시점에는 칩당 수백만 개의 트랜지스터가 있었습니다. 지난 10년 동안은 데이터 전송과 저장이 수요를 주도하고 있습니다. 우리는 더 연결된 기술(사물인터넷과 연중무휴 소셜 상호작용을 구동하는 스마트 기기의 부상)과 데이터 중심적 기술(빅데이터와 머신러닝 같은 트렌드가 수요 창출)을 만들고 있기 때문입니다.

SRP: 더 작지만 더 강력한 칩에 대한 지속적인 수요가 반도체 제조에 사용되는 유체 시스템 구성 요소의 성능 요구사항에 어떤 영향을 미쳤나요?

CW: 시간이 지남에 따른 반도체 칩 지오메트리의 변화는 칩 제조 공정에 사용되는 다양한 유체 시스템 제품의 필요성을 주도했습니다. 특히 트랜지스터가 더 작아짐에 따라 공정에서 오염을 피하는 것이 중요해졌습니다. 이는 수율과 칩 신뢰성에 영향을 미칠 수 있기 때문입니다. 비제어 공정과 구성 요소 오염은 피해야 합니다. 그 결과 산업은 벨로우즈 밸브(더 높은 사이클 수명)에서 다이어프램 밸브(역사적으로 더 깨끗함)로 이동했는데, 이는 '데드 스페이스'와 포함된 가스 부피가 더 적고 움직이는 부품도 더 적기 때문입니다.

이제 최근 스웨즈락^® ALD20 밸브가 출시되면서, 초고순도(UHP) 성능을 여전히 제공하면서 벨로우즈 밸브에서 오는 높은 유량 용량의 이점을 보고 있습니다. 이는 제조 기술이 시간이 지남에 따라 개선되었고, 향상된 재료(고품질 VIM-VAR 강철 및 내식성 합금 등)에 접근할 수 있게 되었기 때문에 가능했습니다. 또한 전착 및 패시베이션 같은 더 나은 마감 기술과 과거보다 제품 출시 전 더 나은 테스트가 사용되고 있습니다. 과거에는 일부 기업이 기술을 먼저 출시하기 위해 경주했지만, 구성 요소를 충분히 검증하지 않아 우리에게 문제를 일으켰습니다. 반도체 분야에서는 제품이 약속대로 박스에서 바로 작동할 것이라는 것을 아는 것이 중요합니다. 일관되고 반복 가능한 성능을 제공할 신뢰할 수 있는 구성 요소가 필수적입니다.

SRP: 이전 질문과 유사하게, 항상 밸브 기술이 변화하여 새로운 칩 생산 공정을 가능하게 했나요, 아니면 반도체 제조 진보가 유체 시스템 혁신을 주도했나요?

CW: 반도체 제조 공정 변화가 UHP 밸브와 기타 유체 시스템 구성 요소에서 우리가 필요로 하는 것을 정의하는 데 확실히 역할을 했습니다. 마이크로칩을 제조할 때, 일반적으로 결정질 웨이퍼(실리콘 등)를 전구체 가스를 증착 챔버에 일련의 정밀한 투여량으로 시퀀스하여 균일하게 코팅한 후 고체화시킵니다. 우리는 점점 더 액체 및 고체 전구체 화학물질을 취하여 고온과 정밀하게 제어된 공정을 사용하여 승화시킨 다음, UHP 밸브를 사용하여 웨이퍼에 투여합니다. 이 화학물질들은 종종 불안정하고 공격적이며 부식성 특성을 가져 효과적으로 작업하기 어렵습니다.

우리는 화학 기상 증착(CVD)과 그 공정에서 사용된 전구체들이 오늘날 우리가 보는 작은 트랜지스터 크기에서 칩 제조를 효과적으로 촉진할 만큼 충분히 제어될 수 없기 때문에 원자층 증착(ALD)과 원자층 식각(ALE) 공정에 점점 더 의존합니다. 공정과 화학의 이러한 변화(예: 1990년대 산업이 더 높은 전도성 때문에 알루미늄에서 구리 인터커넥트로 이동)가 구성 요소 변경을 필요로 합니다.

초기에 툴 OEM들은 실망스러운 칩 수율이 종종 장비 결함이 아니라 공정 문제 때문임을 깨달았습니다. 습기, 대기 노출된 반응성 화학물질, 밸브에 잔류물을 형성하여 밀봉을 방해하는 입자들—이것들은 모두 산업이 직면한 과제였습니다. 우리는 진화하면서 고급 유체 시스템 구성 요소와 시스템 설계를 통해 공정 과제를 제어하는 법을 배웠습니다. 이는 우리의 결과에 긍정적인 영향을 미쳤지만, 칩 제조 공정과 이를 가능하게 하는 구성 요소의 성능 요구사항에도 영향을 미쳤습니다.

SRP: 그것이 반도체 제조 진화의 역사적 그림이라면, 오늘날 산업이 직면한 과제는 무엇이며, 그것이 유체 시스템 구성 요소 요구사항에 어떻게 영향을 미치고 있나요?

CW: 칩 제조의 다음 단계에 도달하려면 신뢰할 수 있는 제품 제어, 반복성, 밸브 제조 일관성이 필요합니다. 반도체 툴에는 수많은 UHP 밸브가 필요하며, 밸브마다 완벽하게 균일한 성능을 갖는 것은 어렵지만, 우리는 그 제조 일관성이 필요합니다. 단순히 고품질 제품에 관한 것이 아니라 밸브에서 밸브로 동일한 품질에 관한 것입니다.

또한 온도 변화가 중요합니다. 더 높은 온도와 유량에서 성능 일관성이 필요합니다. 3D NAND 칩 제조에 더 많은 강조가 되고 있는데, 이는 트랜지스터가 서로 위에 쌓이면서 칩의 더 깊은 틈새에 더 많은 물질이 층층이 쌓이는 것을 의미하므로, 이러한 위치를 효과적으로 코팅하기 위해 웨이퍼에 전구체 매체를 훨씬 더 많이 투여해야 합니다(아마 200배의 가스). 점점 더 엄격해지는 공차, 즉 변동성에 대한 허용치가 점점 줄어들고 있습니다.

"칩 제조의 다음 단계에 도달하려면 신뢰할 수 있는 제품 제어, 반복성, 밸브 제조 일관성이 필요합니다."

SRP: 정확한 투여, 온도 안정성, 유량 용량 외에, 무어의 법칙을 따라잡기 위해 UHP 밸브에서 업계가 또 무엇을 필요로 하나요?

CW: 청결도와 내식성에도 계속 집중해야 합니다. 재료 과학이 여기에서 중요합니다. 예를 들어, ALD20 밸브는 벨로우즈에 합금 22(하스텔로이^® C22)를 사용하는데, 이는 고부식성 화학을 견딜 수 있는 재료입니다. 하지만 아무리 좋아도 이 재료가 모든 공정에 이상적인 것은 아닙니다. 지오메트리가 더 작아지고 전구체 화학물질이 더 공격적으로 변함에 따라 다른 화학을 처리하기 위해 특수 코팅이 필요할 수 있습니다. 이러한 코팅 개발은 어렵고 비쌀 수 있지만, 우리 공정에서 부식에 대한 허용치는 점점 줄어들고 있습니다.

이것이 유체 시스템 솔루션 제공업체가 새로운 제품을 개발할 때 OEM과 반도체 제조사 모두와 긴밀히 협력하는 것이 핵심인 이유입니다. 협업은 수십 년 전 스웨즈락이 첫 ALD 밸브를 도입했을 때 중요했으며, 지금 그 어느 때보다 더 중요합니다. 때로는 툴 OEM들과 협력하는 것을 의미하지만, 그들의 툴에 대한 요구가 칩 제조사들에 의해 주도되기 때문에 때로는 팹들과 직접 협력해야 할 수도 있습니다. 함께 문제를 해결하고 관련 기업들의 개발 주기에 따라 무엇이 합리적인지 파악하는 것입니다. 하지만 이 협업이 내일의 기술을 가능하게 할 것입니다.

SRP: 경력 동안 공급업체와의 협업은 어떤 모습이었나요? 개인적으로 어떻게 경험하셨나요?

CW: 경력 초기에 ASM에 있을 때 스웨즈락과 스웨즈락^® DH 시리즈 UHP 다이어프램 밸브 개발에 협력했습니다. 당시 시장에 있던 것보다 작으면서 220°C 진공에서 작동하는 밸브가 필요했습니다. 더 많은 밸브를 작은 공간에 넣어 ALD 툴의 성능을 개선하기 위해서였습니다. 스웨즈락 사우스웨스트와 스웨즈락 기업 엔지니어링 부서와 협력하여 옵션을 테스트했고, 결국 훌륭한 솔루션에 도달했습니다. 결과는 이중 피스톤 설계, 진공 챔버에서 오염을 피하는 데 도움이 되는 새로운 윤활유, 1,000만 사이클 이상 지속되는 극한 온도 저항을 가진 다이어프램 밸브였습니다.

스웨즈락 팀이 프로세스 전반에 걸쳐 테스트 프로토콜과 데이터를 투명하게 공유하려 했던 것도 도움이 되었습니다. 이는 다른 제조업체에서는 항상 그런 것은 아닙니다. 또한 모든 협력 노력에서 그렇듯, 사람이 차이를 만듭니다. 당신이 일을 즐기기 쉽게 만드는 사람들과 일하고 싶고, 이 프로젝트에서 함께한 팀은 최고였습니다. 반도체 산업 경력에서 저는 항상 고객과 윈윈(win-win) 상황을 원하는 비즈니스 연락처를 찾아왔습니다. 단지 '우리가 이긴다'는 식의 회사도 있고, 둘 다 존재하므로 항상 신중하게 선택해 왔습니다.

SRP: 반도체 산업의 다음은 무엇인가요? 극복해야 할 과제는 무엇이며, 가까운 미래에 무엇을 기대할 수 있나요?

CW: 산업의 한 가지 과제는 스케일링 니즈를 따라잡는 것입니다. 이제 7nm 또는 5nm 공정 노드에 있는데, 여기서 어디로 가나요? 기술을 더 소형화하기 위한 재료와 제조 능력이 존재하는가? 3D NAND 스태킹은 하나의 해결책입니다. 우리는 더 많은 반도체가 서로 위에 쌓이는 것을 보고 있으며, 이는 전통적으로 해오던 것보다 한 영역에 3배의 트랜지스터를 집적할 수 있게 합니다. 이를 촉진하기 위한 새로운 기술이 연구되고 있습니다. 예를 들어, 웨이퍼 전체 표면을 코팅하는 대신 원하는 곳에만 증착할 수 있게 하는 선택적 증착 기술 등입니다.

재료도 변하고 있습니다. 산업은 실리콘 대신 실리콘 카바이드를 웨이퍼 기초로 고려하고 있습니다. 실리콘은 구하기 쉽고 저렴해 널리 채택되었지만, 미세한 크기에서 트랜지스터에 전력을 공급하기 위해 다른 재료가 필요해지면서 게르마늄 같은 재료가 다시 사용될 수 있습니다. 다른 빠르고 유망한 재료들이 시간이 지남에 따라 조사되었지만, 제조 공정이나 칩 요구사항이 이러한 비싼 특수 재료를 경제적으로 실행 가능하게 만들지 않았을 수 있습니다. 이제 그것들이 필요할지도 모릅니다.

웨이퍼 재료뿐만 아니라 우리 공정도 변해야 합니다: 무엇을 증착할지, 어떻게 식각할지 등. 극자외선 리소그래피(EUV) 같은 새로운 방법이 사용되고 있지만, 5-3nm보다 더 작은 트랜지스터를 향해 작업하기 시작하면 더 이상 작동하지 않을 수 있습니다. 더 작아질수록 비용이 기하급수적으로 높아지므로, 무어의 법칙을 따라잡으려 하기보다 특수 제공업체들이 더 많이 남을 수 있습니다. 너무 비싸서 모두가 할 수 없게 되기 때문입니다.

SRP: 관점 공유해 주셔서 감사합니다, 칼. 과거에 당신이 맡았던 종류의 역할을 채우는 반도체 전문가들에게 마지막 조언의 말씀을 해주신다면?

CW: 한 가지 확실한 것은 우리가 계속 발전을 볼 것이라는 점입니다. 어떻게 일어날지 항상 볼 수는 없더라도 말이죠. 당신이 의지할 수 있는 한 가지는 당신이 원하는 곳에 도달하기 위해 강한 관계와 협업이 필요하다는 것입니다.

전문적인 필요가 있을 때, 항상 선반에서 제품을 사서 해결할 수 있는 것은 아닙니다. 때로는 파트너들과 협력하여 차세대 솔루션을 개발해야 합니다. 그렇게 할 때, 엔지니어링 역량과 협업 마인드셋을 가진 회사를 찾으십시오. 당신의 니즈를 경청하고, 할 수 없는 것을 약속하지 않으며, 당신을 기쁘게 하기 위해 품질을 희생하지 않는 협력자가 필요합니다. 빠르게 움직일 때 많은 회사들과 함께하는 위험이므로, 누구를 신뢰할 수 있는지 배우십시오. 관계를 구축하는 것이 결과를 구축하기 위해 할 수 있는 최선의 일입니다.

"...당신을 원하는 곳으로 데려갈 엔지니어링 역량과 협업 마인드셋을 가진 회사를 찾으십시오. 당신의 니즈를 경청하는 협력자가 필요합니다..."

SRP: 칼, 감사합니다! 오늘 귀중한 지식을 공유해 주셔서 감사합니다.

CW: 천만에요. 돕게 되어 기쁩니다.