[반도체 시사] 차세대 패터닝 기술의 방향, EUV feat. ASML

기사를 보면서 새로운 반도체 시사도 체득하면서, 동시에 반도체 용어와 표현에 대해서 익숙해지는 것을 꼭! 연습하시길 바라겠습니다.

교관 曰 : 최근 단위공정에 대한 주제를 다시 다루면서 포토공정에 대한 내용을 주로 다루었습니다. 포토공정 관련 기사를 공유드리고자 가지고 와보았습니다!

 [요약]

• 지난 수십년간 반도체 산업이 발전할 수 있었던 이유는 반도체 칩 하나에 수십억 개의 Transistor를 집적할 수 있는 고도의 공정기술의 발전 덕분입니다. 반도체는 모든 학문의 집대성이라 할 정도로, 모든 단위공정이 중요하지만 고집적도를 달성에 가장 큰 기여한 공정은 단연, 포토공정이라 할 수 있습니다. 
  
  
• "집적도가 높아지면 좋은 점이 무엇인데!?"
  집적도가 높아지면 메모리 저장 공간은 늘어나고, Computing System의 연산속도는 기하급수적으로 빨라지게 됩니다. Device Size가 작아지면서 Supply Voltage, Vop도 작아지니 당연 전력소모량도 줄일 수 있습니다. 그리고 무엇보다도, 단가를 낮출 수 있다는 점이 중요합니다. 집적도를 높이면 Wafer 한 장에 Gross Die 수가 증가합니다. Physical Dimension을 k배 Shrink할 경우, Area는 k^2으로 Shrink되니 Gross Die 수도 엄청나게 증가하겠죠.
  
  
• "집적도 → 미세화"
  반도체 제조 공정에서 집적도 즉, 미세화를 결정하는 Key Factor는 단연 Lithography 공정입니다. Lithography 공정은 설계한 회로 패턴을 Wafer 상에 전사하는 일련의 과정을 포함하는 공정입니다. 설계 패턴을 포함하는 Mask에 빛을 입사하면 Mask를 투과한 빛이 Photoresist가 도포된 Wafer로 전사되면서 회로 패턴이 형성되는 과정을 말하죠. 포토공정 이후 후속 공정으로 Etch, Cleaning, Deposition, Ion Implant 등 여러 공정이 반복되면서 특정 Function에 특화된 Device를 제조할 수 있습니다. 
  
  
• Wafer가 Fab-in 되어 반도체 공정을 거친 후 Fab-out 되기 까지 포토공정의 Portion은 전체 반도체 제조 공정에서 60% 수준으로 많은 비중을 차지합니다. 많이 차지하는 만큼 전체 생산원가 중에서도 40~50%에 달하는 비중을 차지하죠. 따라서, 노광공정은 반도체 제조 공정에서 핵심 공정이라고 할 수 있습니다.
  
• "High Resolution 고해상도를 달성하라!!"
  이 내용에 대해서는 일전에 게재한 게시글을 보는 편이 더 좋지만, 한 번 다루어보도록 하겠습니다. Wafer에 미세한 회로 패턴을 형성하기 위해서는 노광장비의 Resolution이 높아야 합니다. 해상력(Resolution)이란 인접한 두 물체를 별개의 것으로 구분할 수 있는 최소 거리를 나타냅니다. '얼마나 미세한 선폭의 패턴을 구현할 수 있는지' 평가될 수 있죠. High Resolution을 달성하기 위해 Road map을 간단하게 살펴보면, 짧은 파장의 광원으로의 변화와 High NA (Numerical Aperture)가 높은 큰 렌즈를 사용하는 방식이 있습니다. 
  
  130nm node까지는 KrF(248nm) Eximer Laser가 광원으로 사용됐으며, 90nm에 들어서면서 139nm의 ArF Eximer Laser로 단파장의 광원으로 개발되었습니다. 
  
  
• "빛의 회절과 산란 그리고 간섭"
  높은 해상도 달성의 물리적인 접근은 바로 빛의 파동적 성질인 회절과 산란 그리고 간섭을 줄이는 것입니다. 빛의 Intensity와 Phase를 변조하여 회절광을 제거하여 노광영역과 비노광영역의 Contrast를 향상시키는 PSM 방식, 왜곡이 예상되는 패턴을 인위적으로 보정하여 정확한 Pattern을 형성하는 OPC 방식 등이 있습니다. 아직까지는 주력 노광 설비로 ArF 광원을 사용하며, 공기보다 굴절률이 큰 액상 매체 (n=1.44)를 이용하여 해상력을 높인 ArF-immersion 방식으로 노광방식의 발전이 있죠.
  
  
• "EUV의 도입"
  EUV는 자외선과 X선의 중간영역에 있는 극자외선 파입니다. 반도체 제조 공정에서 사용하는 EUV는 13.5nm의 파장을 가지도록 Design 도ㅒㅆ습니다. 현재 ASML 社만이 EUV 노광장비를 생산할 수 있죠. EUV는 기체를 포함한 모든 물질에 대해서 흡수가 되기 때문에 빛이 Wafer에 도달하기도 전에 에너지가 Loss되면서 Wafer 처리량이 낮다는 평가를 받았습니다. 물론 이러한 처리량 이슈는 Power를 높이는 방식으로 어느 정도 해결된 상태입니다.
  
  초기에 2000억원이나 하던 고가의 EUV 장비. ArF-immersion으로 Multi-pattering을 진행했던 것과 달리 Single Exposure 만으로도 초미세 선폭의 패턴을 구현 할 수 있을 정도로 강력한 노광장비입니다. 최근에는 일부 난해한 Pattern에 대해서 EUV를 이용한 Multi Patterning 방식을 적용하고 있죠. 아울러 낮은 Throughput 문제를 해결하기 위한 높은 Power의 EUV 설비는 3,000억원 후반대로 급등한 상태이며, 더 높은 해상도 구현을 위해 도입된 High NA (0.55) EUV 장비 가격은 5,000억원 안팎입니다. 
  
• "EUV 용 Photoresist, 나노 무기 PR"
  높은 해상력을 구현하기 위한 본질적인 이슈인 재료의 혁신도 활발히 이루어지고 있습니다. 기존의 Orgainc 유기 PR이 아닌 Inorganic의 무기 PR을 도입하는 움직임입니다. 일본 JSR 社에서 인수된 인프리아가 이 분야에서 리딩 그룹이라고 할 수 있죠. 인프리아 무기 PR은 기존 유기 PR보다 분자 크기가 1/5 수준으로 작고, 광 흡수율은 4~5배 높습니다. 기존의 EUV 광 흡수율이 낮은 PR 이슈에 대한 Solution이라 할 수 있죠. 이 덕분에 조밀하고 더욱 정확하게, 효율적으로 회로 패턴을 Wafer 상에 형성할 수 있게 되었습니다. 무기물이 유기물보다 단단하기 때문에 식각에 대한 선택비도 10배 높습니다. 즉 PR의 요구사항 중 하나인 Robustness가 높다는 것이죠. 이러한 성질 때문에 PR 두께도 얇게 형성할 수 있죠. PR Thickness가 얇아지면서, Shadow Effect이나 Well Proximity Effect의 현상을 억제하면서 Well Space를 더욱 Shrink할 수 있게 되면서 좀 더 Scaling Down 할 수 있게 됐습니다. 

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[▼▼▼ 기사 출처 : 전자부품 전문 미디어 디일렉 ▼▼▼]

대통령도 얘기하는 EUV와 ASML...차세대 리소 패터닝 기술 향방은 - 전자부품 전문 미디어 디일렉