[분석정보] IDF 2012. 22nm 세대에서 14nm 세대로 이행하는 Intel의 실리콘 제조 기술

intel의 수석 연구원으로 근무하는 Mark Bohr 씨. 기자 설명회에서 촬영

기간 : 9 월 11 일 ~ 13 일 (현지 시간)

회장 : 미국 캘리포니아 주 샌프란시스코 Moscone West


　미 Intel은 IDF 2012의 개최 기간인 9월 12일 (현지 시간) 회장에서 기자 설명회를 개최하고 22nm 세대 공정 기술을 설명하고, 14nm 세대 이후를 전망했다. 또한 이날 IDF의 기술 세션에서 22nm 세대 이후의 공정 기술을 설명했다. 강사는 모두 Intel의 수석 연구원으로 근무하는 Mark Bohr 씨이다. 기자 설명회 및 기​​술 세션의 내용은 대부분 중복이 있었다. 본 보고서에서는 양자의 내용을 정리해 소개하고 싶다.

기자 설명회의 제목. "Transistor Technology and Innovation in the Mobility Era

(모바일 시대의 트랜지스터 기술과 혁신)"

기술 세션에서 제목. "Silicon Technology Leadership for the Mobility Era

(모바일 시대를 향한 실리콘 기술 리더십)"

　우선 트랜지스터의 미세화 추세이다. Intel은 지난 20년 정도는 2년에 0.7 배의 속도로 가공 치수의 축소를 추진해 왔다. Intel의 미세화 속도는 반도체 업계에서 가장 빠르다. Intel에 있어서 양산 세대의 최첨단은 22nm 세대이다. 22nm 세대의 반도체를 양산하고 있는 반도체 메이커는 Intel 밖에 없다. 다른 반도체 제조업체가 양산중인 최첨단 세대는 1세대 지연 28nm/32nm 세대이다.

　트랜지스터를 미세화하여 원칙적으로 속도가 향상되고 소비 전력이 낮아 비용이 내려 간다. 이 원리 원칙은 130nm 세대까지 순조롭게 현실이되고 있었다.

90nm 세대 이후는 새로운 기술을 잇따라 도입

　그러나 90nm 세대는 원리 원칙이 통용되지 않게되었다. 누설 전류가 크게 증가하기 때문에 소비 전력이 내리지 않는다. 누설 전류의 증가의 억제가 가장 중요한 과제가 되었다. 따라서 90nm 세대 이후 과거에 볼 수 없었던 혁신적인 기술을 Intel은 차례 차례로 도입해 왔다. 90nm 세대로는 스트레인드 실리콘 기술을 채용하고, 45nm 세대에서는 고 유전율막 / 금속 게이트 (High-k/Metal gate) 기술을 도입했다. 그리고 22nm 세대에서는 트라이 게이트 트랜지스터 기술을 채용했다. 즉, 22nm 세대로는 스트레인드 실리콘 기술의 개량 판과 고유 전율 막 / 금속 게이트 기술의 향상된 버전, 그리고 트라이 게이트 트랜지스터 기술이 사용되고 있다.

트랜지스터의 미세화 추세

트랜지스터의 속도 (지연 시간)와 소비 전력 (스위칭 에너지)의 추이. 급증하는 누설 전류 (빨간 선)를 억제하는 것으로, 고속화와 저소비 전력화를 추진해 왔다

90nm 이후의 세대에서 도입한 장치 / 공정 기술과 트랜지스터의 단면 관찰 상

순조롭게 진행된 22nm 세대의 양산 기술 개발

　22nm 세대에서는 누설 전류가 낮고 동작 속도도 낮은 저소비 트랜지스터와 누설 전류는 높고 작동 속도도 높은 고성능 트랜지스터 제작을 나누는 것으로 회로의 요구 사양에 응하고 있다. 응용 분야는 스마트 폰에서 태블릿, 노트북 PC, 데스크톱 PC, 서버까지를 포함한다.

　22nm 세대의 양산 기술 개발은 32nm 공정의 양산 기술 개발과 거의 같은 일정으로 진행되었다. 양산을 시작하는 과정에서 시간이 지남에 따라 실리콘 웨이퍼의 결함 밀도가 변화하는 곡선 (일반적으로 시간이 지남에 따라 결함 밀도가 감소하는 곡선)는 32nm 공정과 22nm 세대는 거의 동일한 형상을 그렸다. 오히려 22nm 세대가 제조 수율이 순조롭게 향상 (결함 밀도가 순조롭게 감소)하고있는 것으로 보인다. 트라이 게이트 트랜지스터 기술이라는 무섭게 혁신적인 장치 구조를 도입하면서 생산 수율이 순조롭게 향상해 온 것은 굉장한 일이다.

트랜지스터의 스위칭 속도와 누설 전류의 관계.

22nm 세대에서는 스마트 폰에서 서버까지 폭 넓은 영역을 커버

시간이 지남에 따라 실리콘 웨이퍼의 결함 밀도가 감소하는 모습

공정은 혁신적, 노광은 보수적

SRAM 셀 면적의 추이와 22nm 세대의 SRAM 셀 어레이의 전자 현미경 관찰 상

　Intel 공정 기술에서 흥미로운 것은, 새로운 기술의 도입은 반도체 업계보다 거의 1 세대 이른 것이지만, 노광 기술은 반대로 보수적인 것이다. ArF 드라이 노광에서 액침 노광으로의 전환은 반도체 업계 전체의 움직임에 비하면, 1세대 느렸다. 드라이 노광에서 액침 노광로 전환하면 일반적으로 생산 처리량이 감소한다. 드라이 노광에서 직전까지 버티는 느낌으로 처리량에서 경쟁사에 우위를 의미한다.

　또한 눈에 띄지 않는 것이지만, Intel은 탁월한 노광 기술을 가지고 있다. SRAM 셀 어레이의 전자 현미경 관찰 상은 어느 세대도 아름답고 예쁘게 해상 되어 있는 것을 보여왔다. 구체적으로는 직선이 청결하다 (왜곡 있지 않음), 코너의 직각이 솔직하게 나온다 (둥글어지고 있지 않음) 등이다.

22nm 세대에서는 트랜지스터 성능이 37% 향상

　Intel은 32nm 세대와 마찬가지로 22nm 세대에서도 CPU 공정과 SoC (System on a Chip) 공정을 개발했다. 차세대 공정인 14nm 세대에서도 CPU 공정과 SoC 공정을 개발할 계획이다.

　22nm 세대의 트랜지스터는 32nm 세대에 비해 지연 시간이 37% 짧은 (전원 전압 0.7V). 32nm 세대와 동일한 지연 시간에 이동할 때 전원 전압이 0.2V 내려 가기 때문에 동작시 소비 전력이 절반으로 줄어든다.

CPU 공정과 SoC (System on a Chip) 기술의 로드맵

22nm 세대의 가장 큰 특징인 트라이 게이트 트랜지스터의 단면 관찰 상

32nm 세대의 트랜지스터와 22nm 세대의 트랜지스터의 성능 비교

22nm 세대의 금속 다층 배선의 단면 관찰 상. 9 층의 금속 배선 층으로 구성

SoC 공정은 저소비와 고밀도를 중시

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

　SoC 공정에서 소비 전력의 저감을 중시한 로직 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 공정은 고속성을 중시한 로직 용 트랜지스터 및 상부 금속 배선 레이아웃을 채용하고 있다.

　또한 22nm 세대에서는 트라이 게이트 트랜지스터 기술은 전류 증폭 능력이 크게 증가하고 아날로그 회로의 성능이 향상되고 있다고 한다.

CPU 공정과 SoC 공정 비교

22nm 세대 SoC 공정의 메뉴(옵션). 자세한 내용

각 세대의 트랜지스터의 Gm × Rout (아날로그 성능을 나타내는 지표)의 추이

22nm 세대 SoC 공정을 구성하는 장치의 전자 현미경 관찰 상

22nm 세대 실리콘을 제조하는 공장.

5개 공장에서 생산을 예정하고 이미 3개의 공장이 생산에 들어갔다.

보여진 차세대 14nm 공정의 방향성

　차세대 공정인 14nm 공정을 이용한 실리콘의 양산은 2013년 말에 시작할 계획이다. 14nm 공정의 정보를 표시 하지 않았지만 방향성은 보여줬다.

　14nm 공정에서는 혁신적인 기술의 도입은 없을 것 같다. 트라이 게이트 트랜지스터의 향상을 기본으로 개발을 진행하고 있다. 벌크 공정이며, SOI (Silicon on Insulater) 공정의 차례가 아니다. 노광 기술은 22nm 세대에서는 ArF 액침 노광과 더블 패터닝 기술의 조합이었다. 14nm 세대에서는 트리플 패터닝 기술을 채택할 가능성이 있다. 노광 기술은 ArF 액침 노광을 계속한다.

14nm 세대 이후의 공정 로드맵

14nm 세대 이후의 실리콘을 제조하는 공장

　문제가 되는 것은 다음 차차 세대 이후이다. 10nm 세대 공정의 모습이 보이지 않는다. 지금까지대로 2년마다 세대를 진행한다면 2015년 양산 개시된다. 그러나 현재 유력시되는 요소 기술의 조합은 등장하지 않는다.

　10nm 이후 최대의 관심사는 노광 기술이 보이지 않는 것 이라고 Bohr 씨는 이야기 했다. 트랜지스터 기술도 보장되어 있지 않다.

　10nm 이상이 암중 모색 상태인 것은, Intel에 국한된 것이 아니다. 반도체 업계 전체가 유력 후보 기술을 찾지 못한 것이다. 반도체 공정의 진화는 10nm 세대를 앞에두고 전환점를 맞이할 가능성이 높다.

2012년 9월 14일 기사 입니다.

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