[IDF 2012] 22나노에서 14나노로 이행하는 인텔의 반도체 제조 기술

인텔은 IDF 2012의 개최 기간인 9월 12일(현지시간)에 회장내에서 기자 설명회를 개최해, 22nm세대의 프로세스 기술을 해설하는 것과 동시에, 14nm 세대 이후를 전망했다.또 같은 날의 IDF에 있어서의 기술 세션으로, 22nm 세대 이후의 프로세스 기술을 해설했다.강연자는 모두, 인텔의 Mark Bohr씨이다.기자 설명회와 기술 세션의 내용은 대부분이 중복 하고 있었다.본리포트에서는 양자의 내용을 정리해 소개하고 싶다.

　우선은 트랜지스터의 미세화 트랜드이다.인텔은 과거 20년 정도는 2년에 0.7배의 페이스로 제조공정치수의 축소를 진행시켜 왔다.인텔의 미세화 페이스는 반도체 업계에서는 가장 빠르다 인텔 에 있어서 양산 세대의 최첨단은 22nm세대이다. 22nm세대의 반도체를 양산하고 있는 반도체 메이커는 인텔  밖에 없다.다른 반도체 메이커가 양산중의 최첨단 세대는, 1세대 지연의 28nm/32nm세대이다.

　트랜지스터는 미세화에 의해, 원리적으로는 속도가 향상해, 소비 전력이 저하해, 제조단가가 감소한다.이 원리 원칙은, 130nm세대까지는 순조롭게 현실이 되어 있었다.

●90 nm세대 이후는 신기술을 연달아 도입 

　그러나 90 nm세대부터는, 원리 원칙이 통용되지 않게 되었다. 누설전류가 큰폭으로 증가하기 위해서, 소비 전력이 내리지 않아 누설전류의 증가를 억제하는 것이 가장 중요한 과제가 되었다.이 때문에, 90nm세대 이후는 과거로 보여지지 않았던 혁신적인 기술을 인텔은 차례차례로 도입해 왔다.90nm세대로는스트레인 드 실리콘술을 채용해, 45nm세대로는 (High-k/Metal gate) 기술을 도입했다.그리고 22nm세대로는 트라이 게이트 트랜지스터 기술을 채용했다.즉, 22nm세대로는 스트레인 드 실리콘 기술의 개량판과 HKMG 개량판, 그리고 트라이 게이트 트랜지스터 기술이 사용되고 있다.

급등하는 누설전류가 65nm부터 꺽인다.

공정별로 새로운 기술이 적용되었다.

●순조롭게 진행된 22nm세대의 양산 기술개발

 

　22nm세대로는, 리크 전류가 낮은 동작 속도도 낮은 저소비 트랜지스터, 누설전류는 높지만 동작 속도도 높은 고성능 트랜지스터를 만들어 나누는 것으로, 회로의 요구 사양에 응하고 있다.어플리케이션에서는 스마트 폰으로부터 타블렛, 노트 PC, 데스크탑 PC, 서버까지를 커버한다.

　22nm세대의 양산 기술개발은, 32nm세대의 양산 기술개발과 거의 같은 스케줄로 진행되었다.양산을 시작하는 과정에 대해 시간 경과와 함께 실리콘 웨이퍼의 결함 밀도가 변화하는 곡선(통상은 시간 경과와 함께 결함 밀도가 감소하는 곡선)은, 32 nm세대와 22 nm세대에 거의 같은 형상을 그렸다.오히려 22 nm세대가, 제조 제품 비율이 순조롭게 향상(결함 밀도가 순조롭게 감소)하고 있는 것처럼 보인다.트라이 게이트 트랜지스터 기술이라고 하는 무섭게 혁신적인 디바이스 구조를 도입하면서, 제조 제품 비율이 순조롭게 향상해 온 것은 굉장한 일이다.

트랜지스터의 스위칭 속도 및 누설 전류의 관계. 

22nm 세대에서는 스마트 폰에서 서버까지 폭 넓은 영역을 커버한다.

시간이 지남 실리콘 웨이퍼의 결함 밀도가 감소하는 모습

●프로세스는 혁신적, 노광은 보수적 

SRAM 셀 면적의 추이와 22 nm세대의 SRAM 셀 어레이의 전자현미경 관찰상

　 인텔공정 기술에서 흥미로운 것은, 새로운 기술의 도입은 반도체 업계보다 거의 1 세대 이른 것이지만, 노광 기술은 반대로 보수적 인 것이다. ArF 드라이 노출에서 액침 노광으로의 전환은 반도체 업계 전체의 움직임에 비하면, 1 세대 늦었다. 드라이 리소그래피에서 액침 노광으로 전환하면 일반적으로 생산 처리량이 감소한다. 드라이 리소그래피에서 직전까지 버티는이란 처리량에서 경쟁사에 우위를 의미한다.

　또한 눈에 띄지 않는 것이지만, 인텔은 탁월한 노광 기술을 가지고있다. SRAM 셀 어레이의 전자 현미경 관찰상은 어느 세대도 아름답고 깨끗하게 해상 수 있는지 보여왔다. 구체적으로는 직선이 청결하다 (왜곡하지 않음), 코너의 직각이 솔직하게 나오고있다 (둥글게되어 있지 않음) 등이다. 

●22 nm세대로는 트랜지스터 성능이37% 향상 

　

　인텔은 32nm 세대와 마찬가지로 22nm 세대에서도 CPU 프로세스 및 SoC (System on a Chip) 공정을 개발했다. 차세대 공정 인 14nm 세대에서도 CPU 프로세스와 SoC 프로세스를 개발하는 계획이있다.

　22nm 세대의 트랜지스터는 32nm 세대에 비해 대기 시간이 37 % 짧은 (전원 전압 0.7V). 32nm 세대와 지연 시간으로 움직였을 때는 전원 전압이 0.2V 내려 가기 때문에 동작시 소비 전력이 절반으로 줄어든다.

22 nm세대의 금속 다층 배선의 단면 관찰상.

9층의 금속 배선층으로 구성된다

●SoC 프로세스에서는 저소비와 고밀도를 중시 

　　CPU 프로세스와 SoC 프로세스는 트랜지스터 구조와 SRAM 셀, 하층의 금속 배선 제조 장치 등은 변하지 않는다. 다른 것은 로직 트랜지스터의 사양과 입출력 (I / O) 용 트랜지스터의 사양, 상층의 금속 배선, 수동 소자의 유무이다.

　SoC 과정에서 소비 전력의 저감을 중시 한 논리 용 트랜지스터를 채용하는 것과 동시에 입출력 용 고전압 트랜지스터를 준비하고 상층의 금속 배선은 높은 밀도의 레이아웃이 정밀 수동 소자를 사용할 수 있도록 한 . 즉, CPU 프로세스는 고속 성을 중시 한 로직 트랜지스터와 상층 금속 배선 레이아웃을 채용하고있다.

　또한 22nm 세대에서는 트라이 게이트 트랜지스터 기술은 전류 증폭 능력이 크게 증가, 아날로그 회로의 성능이 향상하고 있다고한다.

22나노 제조 공장은 총 5곳에서 뽑아낸다.

● 차세대 14nm프로세스의 방향성(브로드웰)

　차세대 프로세스인 14nm프로세스를 이용한 실리콘의 양산은, 2013년말에 시작할 계획이다.14 nm프로세스의 자세한 것은 나타나지 않기는 했지만, 방향성은 보여 왔다.

　14nm프로세스에서는 혁신적인 기술의 도입은 없을 것 같다.트라이 게이트 트랜지스터의 개량 을 기본으로 개발을 진행시키고 있다.벌크 프로세스이며, SOI(Silicon On Insulater) 프로세스의 차례는 없다.노광 기술은, 22 nm세대로는 ArF액침노광과 더블 패터닝 기술의 편성이었다.14 nm세대로는 트리플 패터닝 기술을 채용할 가능성이 있다.노광 기술은 ArF액침노광을 계속한다.

인텔의 제조공정 로드맵

인텔은 14나노 개발이후 10나노 7나노 5나노순으로 새로운 기술들을 적용할 계획이다.

(III-V, 3-D, Graphene,EUV,Dense Memory,Materials Synthesis,Interconnects,Photonics,nanowires)

14나노 공장은 3곳으로 폐쇄된 아일렌드 공장을 다시 최신설비를 투입한다.

.지금 그대로에 2년 간격으로 세대를 진행시킨다면, 2015년의 양산 개시가 된다.그러나 현재로서는, 유력시 되는 요소 기술의 편성은 등장하고 있지 않다.

　10nm 이후에 최대의 염려는, 노광 기술이 보이지 않은 것이라면 Bohr씨는 말하고 있었다.트랜지스터 기술도 확실히 되지 않았다.

　10nm 이후가 크게 개발이 진척된 상태인 것은,  인텔만의 문제가 아니다.반도체 업계 전체가 10나노에서 큰 진입장벽을 맞이하는것이다. 10나노 벽을 돌파하는 기술을 찾아낼 수 있지 않은 것이다. 반도체 프로세스의 진화는, 10나노세대를 앞에 두고 큰 장벽을 맞이할 가능성이 높다.