반도체는 최대 속도가 20Gbps에 달하는 5G(5세대 이동통신) 보급이 시작된 가운데 코로나19(신종 코로나바이러스 감염증) 사태의 영향으로 재택근무가 급증하면서 통신량이 늘어남으로써 고성능화가 요구되고 있고 차세대 소재 개발로 이어지고 있다.
특히, 한국과 일본의 무역분쟁으로 주목받은 극자외선(EUV: Extra Ultra Violet) 포토레지스트가 주목받고 있다.

 

일본 JSR‧TOK가 독점적으로 공급
반도체가 갈수록 첨단화되면서 EUV 포토레지스트에 대한 관심이 높아지고 있다.
EUV 포토레지스트는 일본 화학기업이 독점공급하고 있으나 최근에는 벨기에 반도체연구소 IMEC가 영향력을 확대하고 있고 경쟁기업들도 개발에 뛰어들어 경쟁이 치열해질 것으로 예상되고 있다.
EUV 포토레지스트 시장은 JSR, TOK(Tokyo Ohka Kogyo) 등 일본 전자소재 메이저가 선도하고 있으며 세정제 등 반도체용 화학제품도 개발하고 있다.
JSR은 한국-일본 무역분쟁에도 불구하고 2019년 반도체 소재 매출액이 전년대비 10% 늘었으며 일본에서 증설을 진행하고 있다. 
2020년에는 코로나19의 영향으로 매출이 5% 감소한 것으로 추정하고 있으나 첨단 분야에서는 포토레지스트 뿐만 아니라 세정제, 탑재 소재 수요가 증가할 것으로 기대하고 있다.  
TOK는 2020년 1-3월 매출 및 이익이 대폭 증가했으며 코로나19에도 불구하고 2020년 전체적으로 매출액이 4%, 영업이익이 18%, 순이익이 46% 늘어난 것으로 추정하고 있다. 1-3월에는 데이터센터용 반도체 수요가 증가하고 장치사업 수익이 개선됐으며, 특히 한국 및 타이완에서 최첨단 반도체용 화학제품이 호조를 나타냈다.
미국에서는 오리건(Oregon) 공장에서 포토레지스트 및 반도체용 화학제품을 생산하고 있는 가운데 첨단 프로세스용 수요 증가에 대응하고 있다.
포토레지스트 생산기업에게 원자재를 공급하는 도요고세이(Toyo Gosei)는 2019년 매출액과 이익이 모두 사상 최고치를 기록했다. 2020년에는 매출액이 2.2%, 영업이익은 17.6% 증가한 것으로 추정하고 있으며 EUV용 첨단소재 증설을 적극화하고 있다.

 

IMEC, 네덜란드 ASML과 협업 대응력 강화
최근에는 세계에서 유일하게 EUV 노광기를 생산하고 있는 네덜란드 ASML과 장기간 협업하고 있는 IMEC가 주목받고 있다.
IMEC와 ASML은 3nm 프로세스에서 EUV 노광공정 1회만으로 24nm의 배선폭/배선간격(L/S)을 실현할 수 있는 싱글 패터닝 기술을 개발했다.
ASML은 2022년 개구수(NA)를 0.33에서 0.55로 높인 신제품 EXE:5000 시리즈를 출시할 예정이다.
NA가 높아지면 미세화 및 수율 개선이 가능한 반면 투영하는 패턴에 큰 왜곡이 발생하는 문제점이 발견돼 EUV를 최적화함과 동시에 최소 노광량 입방센티미터당 34mJ로 24nm L/S를 형성할 수 있는 기술을 확립했으며 EXE:5000 시리즈를 공급하기 이전에 높은 NA와 호환되는 소재를 개발할 방침이다.
IMEC는 기존 EUV 노광기로 금속산화물 방식 레지스트(MOR)와 화학증폭형 레지스트(CAR)를 이용해 24nm 피치의 해상도에 대한 실증을 완료했으나 본격적으로 양산하기 위해서는 높은 NA가 필요한 것으로 파악되고 있다.
미국 램리서치(Lam Research)도 ASML, IMEC와 함께 EUV 리소그래피용 건식 레지스트 신기술을 개발했다.
신기술은 적은 광량으로 패턴을 미세화할 수 있는 기술로 원자재 사용량을 10-20%로 감축해 생산코스트 절감에 기여할 것으로 기대되고 있다.
반도체 소재 생산기업들이 IMEC와 협업하는 이유는 EUV용 포토레지스트 개발에 필요한 EUV 노광기가 매우 고가이기 때문으로, EUV 노광기는 ASML이 독점 공급하고 있고 신제품 가격이 2억-3억달러에 달함으로써 단독 도입하기 어려워 협업을 진행하고 있다.
일본 JSR은 2015년 IMEC와 합작으로 EUV용 포토레지스트 생산기업 EUV RMQC를 설립했고 2017년 벨기에에 양산설비를 건설했으며 2020년 들어 비화학증폭형 금속 함유 포토레지스트를 개발하는 벤처기업 투자도 시작했다.
미국 오리건에 EUV 프로세스에 대응하는 차세대 기능성 세정제 공장을 건설할 예정이다. 세정제는 2019년 매출액이 220% 폭증한데 이어 2020년에도 크게 증가한 것으로 추정하고 있다.

 

SCC, 포토레지스트 장악력 확대
배선폭 5nm 이하인 최첨단 반도체 양산에 필수적인 EUV 리소그래피 기술은 10년 전부터 도입이 검토됐으나 파장 13.5nm의 특수한 광원을 사용함에 따라 포토레지스트, 포토마스크, 노광기 개발이 진행되고 있다.
특히, ASML은 최근 상업생산에 사용할 수 있는 수준으로 기술이 향상돼 풀가동하고 있다.
광원 출력은 아직 충분하지 않으나 포토레지스트 등으로 보완하고 있어 AI(인공지능), 5G용 첨단 반도체 양산에 사용되는 EUV용 포토레지스트에 대한 관심이 높아지고 있다.
스미토모케미칼(SCC: Sumitomo Chemical)은 불화아르곤(Arf) 액침 포토레지스트로 글로벌 시장점유율 1위를 차지하고 있는 가운데 최근 기술적 난이도가 높은 EUV용 포토레지스트에 과감한 투자를 단행하고 있다.
다만, EUV 노광기는 가격이 높을 뿐만 아니라 수요기업과 동일한 기종 보유가 필수적임에 따라 대체장치를 이용해 평가를 진행할 것으로 알려졌다.
전자소재 비율이 높은 스미토모케미칼은 한국과 일본에서 대규모 투자를 계속하고 있다.
2019년에는 ArF 액침 포토레지스트 생산능력을 확대하기 위해 일본 오사카(Osaka) 공장에 신규 설비를 건설했으며 2020년 4월에는 새로운 건물을 추가해 EUV용을 비롯한 첨단제품을 양산할 계획이다.
2022년 상반기 완공을 목표로 EUV 등 최첨단 프로세스용 포토레지스트 개발‧평가체제를 구축할 예정이다.
개발하는 EUV용 포토레지스트는 화학증폭형으로 독자적인 콘셉트의 원료 설계를 통해 고기능화하고 있으며 다양한 수요기업으로부터 긍정적인 평가를 얻어 곧 본격적인 양산이 가능할 것으로 예상하고 있다.
스미토모케미칼은 오사카 뿐만 아니라 100% 자회사 동우화인켐을 통해 한국에서도 포토레지스트를 생산하고 있으며 앞으로는 의사결정 시점의 사업환경 등을 고려해 투자계획을 결정할 방침이다.
다만, 현시점에서는 포토레지스트 박리제, 세정제, 현상액 사업화는 검토하지 않고 있는 것으로 알려졌다.
그러나 포토레지스트를 포함한 반도체 소재 사업은 2021년 매출액을 2018년에 비해 50% 확대하겠다는 목표를 세우고 있다.

 

신에츠, TSMC 발판으로 사업 호조
세계 최대의 실리콘 웨이퍼 메이저인 신에츠케미칼(Shin-Etsu Chemical)도 ArF 및 EUV 포토레지스트 사업이 호조로 보이고 있다.
신에츠케미칼은 1991년 포토레지스트 개발에 착수한 후발기업이나 당시 최첨단인 불화크립톤(KrF) 포토레지스트 개발에 성공해 1997년부터 일본 나오에츠(Naoetsu) 공장에서 생산을 시작했다.
이후에도 ArF 포토레지스트를 제품화하는 등 최첨단제품을 공급하고 있으며 2018년에는 리스크 분산을 위해 타이완에 130억엔을 투입해 해외에 처음으로 생산체제를 구축했다. 
타이완은 TSMC를 시작으로 반도체 메이저가 집적하고 있어 수요가 꾸준히 확대되고 있기 때문이다.
반도체 시장은 코로나19의 영향이 만연하고 있으나 5G, 데이터센터, 게임용으로 첨단 프로세스 시장이 확대될 것으로 예상되고 있다.
이에 따라 일부에서는 EUV용 포토레지스트 수요가 연평균 66% 확대될 것이라는 의견을 제기하고 있어 투자 경쟁이 더욱 가속화되고 있다.

 

KAIST, 해상도 30% 높은 네거티브 타입 개발
국내에서는 김진백 한국과학기술원(KAIST) 화학과 교수가 개발한 고해상도 포토레지스트도 주목받고 있다.
2000년부터 20년간 연구한 결과로 일본산을 능가하는 것으로 평가되고 있다.
일본산 포지티브 타입 포토레지스트는 네거티브 타입 포토레지스트에 비해 해상도가 30% 떨어지는 것으로 알려졌다. 매트릭스 레진, 광산발생제, 염기성물질 등이 혼합돼 있어 불균일한 포토레지스트 막을 형성할 수 있기 때문이다. 광선의 확산에 따른 해상도 저하 문제도 제기되고 있다.
김진백 교수가 개발한 고해상도 포토레지스트는 네거티브 타입으로, 포지티브 포토레지스트에 비해 해상도가 30% 높고 단일물질이어서 균일한 포토레지스트 막을 형성할 수 있으며 광선 확산에 따른 해상도 저하 문제가 없고 노광기 렌즈의 오염 및 부피 축소에 따른 패턴 프로파일의 변형을 피할 수 있다.
해상도가 30% 높아지면 집적도가 4배쯤 늘어나 1GB 용량의 반도체 칩이 4GB 용량으로 바뀔 수 있으며, 불량률을 높인 패턴 프로파일의 변형도 해상도의 향상으로 방지할 수 있다.
불화아르곤(ArF), ArF 이머전, EUV 노광기를 이용한 고밀도 반도체 제조에 응용할 수 있고, 분자구조 디자인 과정을 거치는 등 최적화하면 EUV 포토레지스트에 적용이 가능한 것으로 알려졌다.
그러나 EUV 노광장비가 없어 실험이 어려운 상태이다. EUV 노광장비는 네덜란드 ASML이 독점 생산하고 있으며 공급가격이 1500억-2000억원에 달하고 있다.
나노팹이 정부의 소재·부품·장비 R&D 지원 예산 450억원을 투입해 반도체 테스트베드를 만들 계획이지만 EUV 노광장비를 도입하기에는 역부족인 것으로 평가되고 있다.

 

삼성전자, D램‧파운드리 생산 확대 차질 
반도체 시장은 D램, 낸드플래시 등 메모리 반도체와 CPU, 모바일 AP, CPU 및 AP를 생산하는 파운드리 등 시스템 반도체(비메모리)로 구분되고 있다.
전체 시장 중 메모리 반도체가 30%, 시스템 반도체가 70% 정도를 차지하고 있다.
시스템 반도체 분야는 설계만 전문으로 하는 팹리스(공장이 없는)와 설계대로 생산해주는 파운드리(위탁생산)로 구분되며 2019년 글로벌 파운드리 시장은 710억달러(83조7000억원)에 달했다.
삼성전자는 D램과 낸드플래시 등 메모리 반도체 시장에서는 1위를 달리고 있지만 시스템 반도체는 뒤처져 있다.
파운드리 세계 1위는 타이완의 TSMC로 시장점유율이 48.1%에 달하고 있고 매출의 30%를 차지하고 있는 화웨이(Huawei)에 대한 미국의 견제와 애플(Apple)의 스마트폰 부진에도 불구하고 급성장하고 있다.
삼성전자도 공격적으로 파운드리 사업 확장에 나서고 있다. 삼성전자는 파운드리 시장점유율이 19.1%에 불과하나 2030년까지 133조원을 투입해 시스템 반도체 분야 1위를 달성하겠다는 반도체 비전 2030을 추진하고 있다. 화성에 건설한 신규 EUV 생산라인을 활용해 생산을 확대하고 국내 신규라인 투자도 계속할 방침이다.
그러나 일본이 2019년 7월4일부터 불화수소, 불화 폴리이미드(Polyimide), EUV 포토레지스트 수출을 규제하고 있어 차질이 우려되고 있다.
D램 생산에 투입하는 포토레지스트는 정상적으로 수입하고 있고, 갤럭시 폴드 생산에 들어가는 불화 폴리이미드도 규제에 해당하지 않아 정상적으로 수입하고 있으나 D램과 파운드리 생산에 투입하는 고순도 불화수소는 수급이 원활하지 못한 것으로 파악되고 있다.
특히, EUV용 포토레지스트는 일본 수출규제의 핵심으로, 삼성전자는 EUV용 포토레지스트를 전량 JSR, TOK 등에서 수입하고 있다. 해당 수준의 포토레지스트를 국산화하려면 1년 이상이 걸릴 것으로 예상되고 있다.

 

EUV, 반도체 회로 선폭 미세화의 핵심
반도체를 제조할 때 가장 중요한 요소는 회로의 선폭을 좁게 만드는 것으로, 선폭이 좁아질수록 1장의 웨이퍼로부터 더 많은 칩을 생산할 수 있다.
주 수요처인 스마트폰, PC는 작은 칩을 사용하면 더 얇은 디자인을 만들 수 있고 작은 만큼 전력 소비량도 적어 선호하고 있다. 반대로 같은 크기라면 처리속도나 저장용량을 훨씬 빠르거나 많게 할 수 있다.
삼성전자와 TSMC는 기술의 한계라는 회로 선폭 7나노미터의 반도체를 생산하고 있고 핵심기술이 바로 EUV로 파악되고 있다.
10나노미터 때까지도 주로 ArF를 사용했다. ArF 소재는 빛의 파장이 193나노미터로 193나노미터의 파장을 쏘면 중간에 렌즈가 다시 한번 좁게 초점을 맞추어가면서 웨이퍼 위에 회로를 그리는 것으로 통상 ArF의 파장으로는 10나노미터가 한계로 알려졌다.
그러나 TSMC는 2018년 말 ArF로 7나노제품을 만들어 기술의 한계를 넘어섰고, 삼성전자도 2019년 초 빛의 파장이 13.5나노미터인 EUV로 7나노제품을 만들었다.
EUV는 ArF와 비교해 파장이 14분의 1에 불과해 더 얇고 미세한 선을 그릴 수 있다.
삼성전자는 EUV 방식으로 2020년 5나노, 2021년 3나노제품을 출시할 계획이다. TSMC는 2019년 4월 EUV를 활용한 7나노제품을 출시했다.
파운드리는 반도체 공장 없이 반도체 설계·디자인만 하는 퀄컴(Qualcomm)이나 엔비디아(NVIDIA)와 같은 팹리스(Fabless: 공장이 없는)로부터 위탁받아 반도체로 생산하며, 아이폰에 들어가는 AP(애플리케이션 프로세서)는 애플이 개발하지만 TSMC가 생산하고 있다.

 

1a나노 D램 생산에 EUV 적용
비메모리 반도체는 10나노미터 이하 미세공정에 진입한 지 오래됐지만, D램은 아직 10나노미터 중후반대에 머물고 있다. 10나노대 D램은 공정에 따라 1세대(1x나노), 2세대(1y나노), 3세대(1z나노)로 구분되고 1x나노는 10나노대 후반(18-19나노) 공정이었지만 1z나노는 10나노대 중반(14-16나노) 공정으로 제조하고 있다.
또 반도체는 공정이 미세할수록 전력 소모가 줄고 생산성이 좋아진다. 1z나노급 D램은 직전 세대인 1y나노급보다 생산성이 20% 이상 개선된 것으로 알려지고 있다. 
삼성전자는 2019년 3월 1z나노급 D램 개발에 성공했다. 1z나노 D램 개발까지는 옛 공정에 사용하는 액침ArF를 사용했다. ArF는 파장 길이가 193나노로 굵어 10나노대 반도체 구현이 힘드나 여러번 패턴을 나눠 그리는 멀티패터닝(MPT)으로 한계를 돌파해왔다.
문제는 차세대인 4세대(1a나노) D램이다. 1a나노는 10나노대 초반 공정으로, ArF 방식으론 구현이 힘들어 EUV가 필수적이다. EUV는 파장이 ArF의 14분의 1인 13.5나노에 불과해 미세공정화에 유리하고 또 멀티 패터닝이 필요 없어 생산성 향상도 꾀할 수 있다.
삼성전자는 1a나노 D램에 EUV를 적용할 방침이며, 1a나노 D램 개발에 나서고 있다.
반도체는 1y나노에서 1z나노 개발까지 16개월이 걸린 만큼 2021년에는 1a나노 D램 생산이 가능할 것으로 기대하고 있으나 일본의 수출규제로 1a 나노 D램 개발에 차질이 발생할 것으로 우려되고 있다.

 

삼성전자, 7나노 EUV 시스템반도체에 X-큐브 적용
삼성전자는 7나노 EUV 시스템반도체에 3차원 적층 패키지 기술인 X-큐브(eXtended-Cube)를 적용한 테스트 칩 생산에 성공해 최첨단 EUV 초미세 전공정 뿐만 아니라 후공정에서도 첨단기술 경쟁력을 확보했다.

X-큐브는 전공정을 마친 웨이퍼 상태에서 복수의 칩을 위로 얇게 적층해 하나의 반도체로 만드는 기술이다. 시스템반도체는 일반적으로 CPU·GPU·NPU 역할을 하는 로직 부분과 캐시메모리 역할을 하는 S램 부분을 하나의 칩에 평면으로 나란히 배치해 설계하고 있다.
캐시메모리는 자주 실행하는 작업이나 동작을 저장해두는 임시기억공간으로 주기억장치인 D램을 통하지 않고서도 빠른 작업을 가능하게 한다.
X-큐브 기술은 로직과 S램을 단독 설계·생산해 위로 적층하기 때문에 전체 칩 면적을 줄이면서 고용량 메모리 솔루션을 장착할 수 있고 설계 자유도도 높일 수 있다.
실리콘관통전극(TSV) 기술을 통해 시스템반도체의 데이터 처리속도를 획기적으로 향상시킬 수 있고 전력 효율도 높일 수 있다. 여기에 위아래 칩의 데이터 통신 채널을 수요기업 설계에 따라 자유자재로 확장할 수 있다. 신호 전송경로 또한 최소화할 수 있어 데이터 처리속도를 극대화할 수 있는 장점이 있다.
TSV는 와이어를 이용해 칩을 연결하는 대신 칩에 미세한 구멍을 뚫어 상단 칩과 하단 칩을 전극으로 연결하는 패키징 기술로 속도와 소비전력을 개선할 수 있으며, 슈퍼컴퓨터·인공지능·5G(제5세대 이동통신) 등 고성능 시스템반도체를 요구하는 분야는 물론 스마트폰과 웨어러블(Wearable) 기기의 경쟁력을 높일 수 있는 핵심기술로 활용될 것으로 예상된다.
글로벌 팹리스 수요처는 삼성전자가 제공하는 X-큐브 설계방법론과 설계 툴을 활용해 EUV 기술 기반의 5나노, 7나노 공정 칩 개발을 바로 시작할 수 있고, 검증된 삼성전자의 양산 인프라를 이용할 수 있어 개발 오류를 빠르게 확인하며 칩 개발기간을 단축할 수 있을 것으로 기대된다. (강윤화 선임기자: kyh@chemlocus.com)