[이슈] 반도체 초미세 상징 EUV, 생산량 늘리기 위한 4대 과제는

  • 2019-06-28
  • 전동엽 기자, imdy@elec4.co.kr

[전자과학 전동엽 기자] 7nm 이하 초미세 반도체 공정을 이끌 핵심 기술로 EUV가 손꼽히고 있지만, 아직도 해결해야할 숙제가 은 많은 것으로 드러났다.

EUV(극자외선)이란 자외선과 Soft X-rays 사이의 대역에 존재하는 UV로 지구상에 자연적으로 존재하지 않아 인류가 한 번도 사용해보지 못한 파장대역이다. 짧은 파장으로 인해 작은 물체를 관측하거나 작은 패턴을 전사할 수 있다. 하지만 공기 중이나 물질을 지날 때 흡수돼 사라져버리기 쉽다는 단점 때문에 만들어 내기도, 다루기도 힘들다. 
 
전 세계 유일한 EUV 장비 생산 업체인 ASML은 2006년 첫 프로토타입 제품을 개발했지만 지금의 처리량을 가진 건 2017년부터였다.
(사진: ASML 홈페이지 사진 캡처)

먼저, 반사광학계를 사용하기 때문에 구조적으로 달라지는 것들이 많다. 기존 DUV(Deep UV) 노광기술은 렌즈를 이용한 굴절광학계였다면 EUV 노광기술은 미러를 이용한 반사광학계이다. 이에 따라 기존과 다른 새로운 광원(플라즈마), 반사형 마스크 및 반사광학계, 고진공 챔버, 나노 멤브레인 펠리클, 새로운 레지스트가 적용됐다. 

EUV, 미러 이용한 반사광학계 쓰면서 벌어지는 일들

또한, EUV의 쓰루풋(throughput)을 끌어올리는데 많은 노력과 시간이 소요되고 있다. 전 세계 유일한 EUV 장비 생산 업체인 ASML은 2006년 첫 프로토타입 제품을 개발했지만 처음엔 시간당 웨이퍼 1장도 찍어내지 못하는 수준이었고, 지금의 처리량을 가진 건 2017년부터였다. 

지난달 열린 ‘EUV 테크 글로벌 컨퍼런스’에 참가한 ASML의 최기보 이사는 “EUV의 쓰루풋(throughput) 문제를 해결하는데 상당히 문제를 겪어왔다. 2013년에 만든 모델(3300B)까지는 50wph(시간당 웨이퍼 생산량)을 밑도는 수준이었고, 2017년에 출시한 모델(3400B)에서부터 125wph를 달성해 양산에 사용할만한 쓰루풋이 나오기 시작했다. 그러나 지금보다 더 쓰루풋을 끌어올려야 한다”며 생산량을 늘리는데 고충이 있었음을 토로했다.

선폭 거칠기, 마스크 보호 기술 개선돼야

한양대학교 안진호 교수는 ‘2019 EUVL 워크숍’에서 나온 현안들을 리뷰하며 EUV 기술의 과제와 개발방향을 제시했다. 안 교수는 현재 EUV가 당면한 도전과제로 해상도, 감도, 선폭 거칠기를 동시에 만족시킬 수 있는 레지스트 개발 양산에 적용할 수 있는 수준의 생산성(throughput)을 확보할 수 있는 광원 기술의 확보 마스크를 결함으로부터 보호할 수 있는 기술 마스크의 수율(yield)를 확보하기 위한 마스크 검사 및 리뷰 장비의 확보를 꼽았다. 
 

 
먼저, 새로운 레지스트는 해상도 감도 선폭거칠기를 동시에 만족해야 한다. 현재 사용하고 있는 화학증폭형 레지스트(CAR)를 대체할 수 있는 새로운 레지스트 플랫폼이 개발되어야 한다.  'Metal oxide' 레지스트가 해상도 개선을 위한 솔루션으로 각광을 받아왔으나, 해상도 개선효과는 제한적이면서 훨씬 큰 노광량을 요구하면서도 LWR(line width roughness, 선폭거칠기)이 더 크다는 결과가 최근 발표돼 새로운 레지스트 개발이 절실한 상황이다.  

또한, 포토마스크 결함 수준은 꾸준히 개선되고 있는 것으로 나타났다. 노광공정 중 마스크에 생기는 결함은 많이 개선되었으나, 궁극적으로는 결함이 없어져야 한다고 업계 전문가들은 입을 모으고 있다.  

이에 저결함 마스크 제작을 위한 장비 개발도 현재 이뤄지고 있다. 다층반사막 및 새로운 흡수체를 저결함 증착할 수 있는 Ion Beam Deposition 장비기술이 확보됐다. 난식각 특성의 새로운 흡수체를 패터닝하기 위한 Ion Beam Etching 장비도 개발 중이다.

포토마스크 결함 방지하는 펠리클은 필수 개선 요소

EUV 공정 중에 발생하는 포토마스크 결함을 방지해주는 펠리클(Pellicle) 또한 필수 개선요소로 꼽힌다. 펠리클은 EUV 마스크 표면에서 patricle로부터 발생하는 패턴결함을 방지하기 위해 만드는 얇은 박막을 말한다. 그러나 EUV 펠리클의 낮은 투과도와 내구도로 인해 생산성 저하를 일으켜 펠리클의 투과도 개선이 필요한 상황이다.

현재 EUV 투과도는 83% 수준인데 이를 90%까지는 끌어올려야 한다. 또한 방사에 의한 냉각을 위한 소재가 필요하다. 매우 낮은 EUV 반사도(0.04%이하)가 요구되므로, 새로운 열 방출층이 필요한 상황이다. 

안진호 교수는 “EUV 노광기술이 메모리의 고도화를 위해서도 당연히 필요하지만 우리나라가 열세인 시스템 IC 혹은 파운드리 산업에 있어서 EUV 노광기술이 갖는 의미는 크다고 볼 수 있다”며 “EUV가 본격적으로 양산체제에 들어가면 삼성의 파운드리가 마켓을 키워갈 수 있을 것이다”라고 전했다.

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