삼성전자는 반도체 산업의 경쟁 무대를 가시광선 영역에서 극자외선(EUV) 영역으로 성공적으로 전환함으로써, 마이크로 회로 발전을 가로막았던 물리적 한계를 효과적으로 극복했습니다. 삼성전자는 세계 최초로 이 복잡한 논리 공정 기술을 DRAM 양산에 과감하게 적용함으로써 고성능 DDR5 메모리의 진정한 잠재력을 끌어냈으며, 기존의 멀티패터닝 방식으로는 결코 달성할 수 없었던 전례 없는 대역폭과 전력 효율을 구현했습니다. 더 나아가, 이러한 원자 규모 리소그래피 기술은 메모리를 넘어 삼성의 공격적인 이미지 센서 소형화 전략의 기반 기술이 되어, 더 작은 크기에 더 많은 빛을 포착하는 초고해상도 ISOCELL 센서 개발을 가능하게 합니다. 이 글에서는 삼성전자가 '빛의 파장'을 단순한 제조 도구가 아닌, 초고속 데이터 저장과 디지털 비전이라는 두 가지 핵심 영역을 장악하기 위한 전략적 무기로 어떻게 활용하는지 살펴봅니다.
세계 최초로 EUV 공정을 DRAM에 적용하는 데 성공 리소그래피 혁명
파장 장벽 돌파: 멀티패터닝 시대의 종말 삼성전자는 1세대 10nm급(D1x) DDR4 DRAM 모듈의 양산에 극자외선(EUV) 리소그래피를 성공적으로 적용함으로써 반도체 역사에 획기적인 발전을 이루었고, 점차 비효율적으로 되어가는 멀티패터닝 기술에 대한 업계의 의존도를 사실상 종식했습니다. 이러한 획기적인 발전 이전에는 업계에서 아르곤 플루오라이드(ArF) 침지 리소그래피를 사용해야 했는데, 이는 필요한 밀도를 얻기 위해 서로 다른 마스크를 사용하여 동일한 회로선을 네 번 그리는 쿼드러플 패터닝 기술(QPT)이라는 복잡한 공정이 필요했습니다. 삼성전자는 이 방식이 물리적 한계에 도달하여 정렬 오류를 유발하고 제조 주기 시간을 기하급수적으로 증가시킨다는 점을 인식했습니다. 13.5나노미터(ArF 크기의 10분의 1 미만)의 광파장을 이용하는 EUV를 도입함으로써, 삼성전자는 이 네 가지 번거로운 단계를 단 한 번의 정밀한 노광으로 통합했습니다. 이 전략적 결정은 ASML의 EUV 스캐너의 천문학적인 가격 때문에 엄청난 모험이었지만, 삼성전자는 "단일 패터닝"을 통한 효율성 향상이 자본 지출을 상회한다는 것을 입증했고, 메모리 저장 분야에서 무어의 법칙을 이어가는 유일한 방법은 웨이퍼에 회로를 인쇄하는 물리적 방식을 근본적으로 바꾸는 것이라는 점을 증명했습니다. 전략적 레이어링 및 생산성 최적화 삼성전자의 탁월한 실행력은 전면적인 개편이 아니라, DRAM 구조에서 가장 중요하고 복잡한 레이어, 특히 비트 라인 패드(BLP) 레이어에 EUV 기술을 정밀하게 적용한 데 있었습니다. 삼성전자 엔지니어들은 전기 경로들이 극도로 근접해 있기 때문에 BLP 레이어가 수율 저하의 주요 병목 현상임을 파악했습니다. 삼성전자는 D1x 노드에서 이 레이어에 EUV 기술을 적용함으로써 필요한 마스크 개수를 크게 줄였고, 이는 생산 리드 타임 단축과 불량률 감소로 직결되었습니다. 이러한 선택적 통합을 통해 삼성전자는 12인치 웨이퍼의 생산성을 향상해 기존 ArF 노광 방식을 사용하는 경쟁업체들이 따라잡을 수 없는 수준의 제조 효율성을 달성할 수 있었습니다. 이 초기 D1x 배포에서 수집된 데이터는 삼성전자가 후속 14nm(D1a) DDR5 세대에서 EUV 적용을 5개의 서로 다른 레이어로 공격적으로 확장하는 데 필요한 독자적인 "공정 레시피"를 제공했으며, 이를 통해 업계 전반이 모방하려고 경쟁하는 고수율 EUV 메모리 생산을 위한 표준 프로토콜을 효과적으로 구축했습니다. 삼성전자는 세계 최초로 이룬 성공을 발판으로 글로벌 메모리 시장의 성능 기준을 재정립하고, EUV 리소그래피의 정밀도를 차세대 데이터 센터의 전력 및 속도 요구 사항과 직접 연결했습니다. 삼성전자는 EUV 기술 도입을 통해 훨씬 더 선명하고 균일한 회로 패턴을 구현할 수 있었으며, 이는 누설 전류를 줄이고 칩의 전반적인 전기적 성능을 향상하는 데 이바지했습니다. 그 결과, EUV 기반 DDR4 및 후속 DDR5 모듈은 비 EUV 모듈 대비 전력 소비를 약 20% 절감하고 성능을 20% 향상하는 성과를 거두었습니다. 이러한 기술적 우위는 수천 대의 서버를 관리하는 하이퍼스케일 고객에게 매우 중요합니다. 삼성의 EUV 공정을 통해 얻는 전력 효율성은 수백만 달러에 달하는 전기료 절감으로 이어지기 때문입니다. 삼성전자는 비용에 민감한 메모리 제품에 EUV 기술이 적용 가능하다는 것을 입증함으로써 단순히 신제품을 출시한 것이 아니라, 경쟁사들이 EUV 인프라 구축이라는 가파른 학습 곡선을 극복해야만 진입할 수 있도록 하는 "기술 장벽"을 세웠습니다. 삼성전자는 이미 EUV 인프라의 공급망과 수율 관리 시스템을 안정화한 상태입니다.
DDR5 고성능 메모리 대량 생산의 핵심 EUV와 HKMG의 융합
삼성전자가 DDR5 메모리를 대량 생산할 수 있는 핵심은 14나노미터(D1a) 및 12나노미터 공정 노드 내에서 단일 실험 레이어였던 극자외선(EUV) 리소그래피를 5개의 핵심 레이어를 공격적으로 확장한 데 있다. 삼성전자는 회로 선폭이 단일 나노미터 범위에 가까워짐에 따라 기존의 ArF 멀티패터닝 공정에는 기하급수적으로 증가하는 마스크 수가 필요하게 되며, 이에 따라 정렬 오류 및 결함 밀도가 급격히 높아질 가능성이 있다는 점을 인식했습니다. 삼성전자는 5개의 서로 다른 층에 EUV 기술을 적용함으로써 복잡한 공정 단계를 성공적으로 줄여 제조 워크플로우를 효과적으로 간소화했습니다. 이러한 전략적 축소는 단순한 공정 간소화를 넘어 수익성 확보에 필수적인 '황금 수율'을 달성하는 유일한 방법입니다. 이러한 다층 EUV 방식이 없었다면, 필요한 리소그래피 공정 횟수가 너무 많아 DDR5 칩 하나를 생산하는 비용이 엄청나게 커져 DDR4에서 DDR5로의 전환이 경제적으로 불가능했을 것입니다. 삼성전자가 이러한 다층 공정을 안정화할 수 있었던 것이 경쟁사들이 EUV를 메모리에 적용하는 데 어려움을 겪는 동안 수백만 개의 고밀도 모듈을 생산할 수 있게 해 준 원동력입니다. HKMG 소재 혁명: 리소그래피를 넘어 전압 한계 돌파 삼성전자는 모바일 AP 및 CPU와 같은 고급 로직 칩에만 사용되던 고유전율 메탈 게이트(HKMG) 공정 기술을 메모리 제조 분야에 성공적으로 적용하여 고성능 DDR5 대량 생산의 비결을 밝혀냈습니다. DDR5는 더 낮은 동작 전압(1.1V)에서 훨씬 더 높은 속도(최대 7,200Mbps)를 요구하기 때문에 이전 세대 DRAM에 사용되었던 기존 폴리실리콘 게이트 소재는 심각한 물리적 한계, 특히 "누설 전류" 및 절연 효율 저하에 직면했습니다. 삼성전자는 노후화된 절연층을 자체 개발한 고유전율(High-K) 소재로 교체하고 게이트 전극을 금속으로 교체하여 절연층을 획기적으로 얇게 만들면서 정전 용량을 증가했습니다. 이러한 소재 과학 분야의 혁신은 대량 생산의 "숨겨진 원동력"입니다. 왜냐하면 이 혁신 덕분에 칩은 더 빠른 성능을 발휘할 뿐만 아니라 데이터 센터 고객이 요구하는 열 안정성 및 에너지 효율 기준도 유지할 수 있기 때문입니다. 삼성전자는 메모리 라인에 이러한 논리 기반 기술을 표준화함으로써 고성능 DRAM을 위한 재현 가능한 청사진을 만들었고, 이는 기존 고주파 메모리 확장에서 문제가 되었던 전압 누설 문제를 해결했습니다. 12나노미터급 공정: 궁극적인 생산성 계산 대량 생산 퍼즐의 마지막 조각은 삼성전자가 업계 최고 수준의 DDR5 DRAM 밀도를 구현하는 12나노미터급 공정 기술로 성공적으로 전환한 것입니다. 이 특정 노드는 단일 12인치 웨이퍼에서 최대한 많은 다이를 생산할 수 있도록 전략적으로 최적화된 "최적점"입니다. 삼성전자는 이 공정을 최적화하여 이전 세대 대비 제조 생산성을 20% 향상했으며, 이는 글로벌 공급망 역량에 직접적인 영향을 미치는 엄청난 도약입니다. 이러한 생산성 향상은 앞서 언급한 EUV 정밀도와 고급 노이즈 감소 회로 설계를 결합하여 달성되며, 이를 통해 셀들을 서로 간섭하지 않고 더욱 촘촘하게 배치할 수 있습니다. 삼성전자는 업계 평균보다 앞서 12nm 공정의 양산 준비를 완료함으로써, 기존의 대형 공정에 의존하는 경쟁사들이 제공할 수 없는 안정적인 공급으로 AI 기반 서버 및 고성능 컴퓨팅(HPC)에 대한 폭발적인 수요를 맞출 수 있게 되었습니다. 이는 동일한 양의 원자재로 더 많은 제품을 생산할 수 있게 하여, 가격 경쟁력 측면에서 '슈퍼 갭'을 창출합니다.
초고해상도 이미지 센서 소형화 전략 회절 한계 극복
삼성전자는 '인간의 눈' 로드맵을 적극적으로 추진하며, 기존의 물리적 한계를 뛰어넘어 픽셀 피치를 체계적으로 축소함으로써 궁극적으로 6억 화소(인간 망막의 추정 해상도)를 초과하는 센서를 개발하는 것을 목표로 하고 있습니다. 삼성전자는 0.7마이크로미터 픽셀에서 ISOCELL HP 시리즈에 적용된 초미세 0.56마이크로미터 픽셀 영역으로의 전환을 성공적으로 이뤄냈습니다. 이는 빛의 회절 한계로 인해 노이즈가 심한 이미지가 생성될 것이라는 비판을 받았던 상황에서 이루어진 괄목할 만한 성과입니다. 화소 크기가 작아짐에 따라 필연적으로 발생하는 광 흡수율 감소에 대응하기 위해 삼성전자는 자체 개발한 "광학 포맷 최적화" 전략을 사용합니다. 이 전략은 마이크로렌즈 구조를 재설계하여 포토다이오드에 더 가깝게 배치함으로써 입사광자의 "양자 효율"을 극대화하는 것입니다. 삼성전자는 이러한 소형화를 단순히 수치적인 경쟁이 아니라, DSLR급 해상도를 제공하면서 스마트폰 카메라 모듈의 돌출부를 기기 본체와 매끄럽게 유지할 수 있는 유일한 공학적 해결책으로 보고 있습니다. 삼성전자는 0.6μm 미만의 픽셀 피치를 구현함으로써 200MP 센서를 표준 1/1.3인치 또는 1/1.4인치 광학 포맷에 탑재할 수 있도록 하여, 스마트폰이 지나치게 커지는 것을 방지하면서도 초고해상도 크롭 줌 기능을 원하는 시장의 요구를 충족시킬 수 있게 되었습니다. 심층 절연(DTI) 및 수직 전송 게이트: 빛의 벽 삼성전자 소형화 전략의 핵심 기술은 미세한 픽셀 사이에 물리적 절연 장벽 역할을 하는 "심층 절연(DTI)" 기술의 지속적인 발전입니다. 픽셀 크기가 작아짐에 따라 빛이나 전자가 한 픽셀에서 이웃 픽셀로 새어나가는 현상인 "크로스토크"의 위험이 기하급수적으로 증가하여 색상 오염과 흐릿한 이미지를 초래합니다. 삼성전자는 "전면 심층 트렌치 절연(FDTI)" 방식을 활용하여 이 트렌치의 소재 구성을 재설계했습니다. 이 방식은 더 얇으면서도 불투명한 광학 벽을 만들어 센서에 가파른 각도로 입사하는 광자조차도 올바른 포토다이오드로 유도할 수 있도록 합니다. 또한, 이러한 초소형 픽셀에서 감소하는 "풀웰 용량"(픽셀이 과노출되기 전에 저장할 수 있는 빛의 양) 문제를 해결하기 위해 삼성전자는 "수직 전송 게이트"(VTG)를 도입했습니다. 귀중한 표면적을 차지하는 기존의 수평 게이트와 달리, VTG는 실리콘에 수직으로 파고들어 전자가 파이프라인을 막지 않고 더욱 효율적으로 이동할 수 있도록 합니다. 이러한 구조적 혁신 덕분에 삼성전자는 픽셀 표면적을 거의 20%까지 줄이면서도 높은 동적 범위와 색심도를 유지할 수 있었으며, 이는 사실상 광자 가둠의 법칙을 재정립한 것입니다. 삼성전자는 물리적 하드웨어 소형화에 더해, Tetra²pixel 또는 ChameleonCell 기술로 알려진 지능형 "적응형 픽셀 비닝" 아키텍처를 적용했습니다. 삼성전자는 0.56μm 픽셀이 밝은 햇빛에는 적합하지만, 어두운 환경에서는 물리적으로 너무 작아 충분한 빛을 포착하지 못한다는 점을 인지하고 있습니다. 따라서 삼성전자는 인접한 픽셀을 2x2(4-in-1) 또는 4x4(16-in-1) 클러스터를 동적으로 병합하는 센서 회로를 설계하여 고해상도 200MP 센서를 2.24μm의 거대한 가상 픽셀을 가진 고감도 12.5MP 센서를 효과적으로 변환했습니다. 이러한 유연성은 픽셀 레이어 아래에 있는 센서의 핵심인 "로직 레이어"의 전략적 혁신 덕분에 가능했습니다. 삼성전자는 업계 최초로 14nm EUV 공정을 이 로직 칩에 적용하여 제어 회로를 소형화함으로써 센서 모듈의 전체 높이를 줄였습니다. EUV를 이용한 로직 레이어 소형화는 전력 소비와 발열을 줄여주는데, 이는 과열로 인해 이미지 노이즈가 증가하는 문제를 해결하는 데 매우 중요합니다. 물리적 픽셀 크기를 줄이면서 논리적 기능을 확장하는 이러한 총체적인 전략을 통해 삼성전자는 해상도와 감도 사이의 기존 상충 관계를 뛰어넘는 "두 가지 장점을 모두 갖춘" 솔루션을 제공할 수 있습니다.
