첨단 로직 반도체의 양산을 위한 EUV(Extreme Ultra-Violet) 노광 기술이 발전 중입니다. 7nm 노드에서 올해 양산을 시작, 2~3년 간격으로 차세대 노드로 진화합니다. 5nm 양산은 2021년, 3nm 양산이 2023년이 됩니다. 2nm는 빨라야 2026년을 예측 중입니다. 

 

 

해상도(하프 피치)를 결정하는 건 파장, 개구율, 프로세스 계수

 

기술 노드의 전환은 반도체 노광 기술의 해상도(하프 피치) 향상입니다. ArF 액침 노광 기술과 EUV 노광 기술의 해상도(R)는 노광 파장(λ)에 비례하고, 광학계의 개구율(NA)에 반비례합니다. 즉, 해상도를 높이기 위해서는 파장을 짧게 하고, 개구수를 키워야 합니다. 또 프로세스 계수(k1)라는 상수와 해상도가 비례합니다. 이를 낮추면 해상도가 오릅니다. 그러나 프로세스 계수의 최소 한계는 0.25이며 이보다 더 줄이진 못합니다.

ArF 액침 노광 기술과 EUV 노광 기술의 광원 파장은 고정돼 바뀌지 않습니다. ArF 액침 노광 파장은 193nm, EUV 노광 파장은 13.5nm입니다. 10배 이상 차이나지요. 단순 계산만으로도 EUV 노광이 압도적으로 유리합니다.

 

ArF 노광까지만 해도 노광 기술은 개구수를 향상시켜 해상도를 높일 유력한 수단이었습니다. 구체적으로는 노광 장치인 스테퍼와 스캐너 등의 광학계를 개량해 개구수를 높였습니다. 반면 EUV 노광에서 개구수는 크게 바뀌지 않습니다. X레이 반사 광학계를 사용하는 EUV 노광 기술은 광학계의 구조가 매우 복잡하며, 이를 바꾸려면 막대한 개발 투자가 필요합니다. 따라서 EUV 노광 장치에서 개구수가 바뀐 적은 한번밖에 없습니다. 초기 EUV 스캐너의 개구수는 0.25며, 현재 기종의 개구수는 0.33입니다. 둘 다 ArF 드라이 노광의 최고치인 0.93보다 매우 낮습니다.

 

7nm 세대의 최첨단 로직 양산에 사용하는 EUV 스캐너, NXE:3400B는 개구수 0.33의 광학계를 내장합니다. 앞으로 몇 년은 개구 수가 0.33인 EUV 스캐너를 사용하며 해상도를 높입니다. 개구수가 같은 노광 장치에 하프 피치를 미세하게 바꿉니다. 

 

 

프로세스 계수를 단계적으로 낮춰 해상도를 향상 

 

따라서 미세화 방법은 몹시 한정됩니다. 파장과 개구수가 고정됐으니 남은 건 프로세스 계수밖에 없습니다. 광학적으로 프로세스 계수를 줄여 해상도를 높여야 합니다. 또 ArF 액침 노광 기술처럼 멀티 패터닝 기술과 결합해 프로세스 계수를 실질적으로 낮추는 방법을 씁니다. 그리고 기계적으로는 노광 장치의 오차를 줄여야 합니다. 

 

EUV 노광 장치 업체인 ASML은 앞으로 EUV 노광 기술의 미세화를 4개의 세대로 나눠서 이야기합니다. 지금이 1세대이며 7nm 로직 양산에 적용하는 세대입니다. 프로세스 계수는 0.45. 그 다음인 2세대에선 이를 0.4 이하로 낮춥니다. 노광 기술의 하드웨어(광학)과 소프트웨어(레지스터)를 개선해 실현합니다. 기본적으로 현재 기술의 향상입니다. 3세대에선 0.3 이하로 낮춥니다. 기존 기술의 개선만으로는 어렵고 멀티 패터닝 기술과 새로운 마스크, 새로운 재료의 저항 등 핵심 기술의 도입이 필요합니다. 4세대에선 프로세스 계수를 낮출 수 없으니 개구수를 0.55로 높인 광학계를 개발합니다. 

ASML의 기술 세대 문서에선 프로세스 계수 값을 구체적으로 언급하진 않았습니다. 그래서 임시로 해상도가 어느 정도까지 향상될지를 계산했습니다. 1세대의 프로세스 계수는 0.46이라 알려져 있습니다. 지원하는 해상도(하프 피치)는 19nm입니다. 2세대의 프로세스 계수를 0.39로 잡으면 해상도는 16nm입니다. 7nm~5nm 노드 프로세스에 적용할 수 있습니다. 3세대의 프로세스 계수는 0.29며 해상도는 12nm입니다. 5nm~3nm 공정 양산에 적용됩니다. 4세대에선 광학계 개구수가 크게 변하기에 프로세스 계수는 1세대와 같은 0.46으로 가정했습니다. 개구수가 0.55고 프로세스 계수가 0.46이면 지원 해상도는3세대와 거의 같은 11.3nm입니다. 5nm~3nm 양산에 적용 가능합니다.

 

 

EUV 노광 기술로 멀티 패터닝을 도입 

 

광학과 레지스트를 비롯한 노광 기술을 개량하지 않고 프로세스 계수 k1을 실질적으로 낮출 유력한 방법이 멀티 패터닝(다중 노출) 기술입니다. ArF 액침 노광에 널리 보급된 멀티 패터닝 기술을 EUV 노광 기술에서도 사용하는 걸 검토 중입니다.

 

예를 들어 더블 패터닝은 리소그래피(L)과 에칭(E)을 2번 반복하는 LELE 기술을 도입합니다. 프로세스 계수가 0.46인 EUV 노광 기술(개구수 0.33)에 LELE 기술을 도입하면 해상도(하프 피치)는 16nm로 줄어듭니다. 싱글 패터닝의 프로세스 계수를 0.39로 낮춘 것과 같은 효과가 나옵니다. 또 트리플 패터닝은 L과 E를 3번 반복하는 LELELE를 도입합니다. 그럼 해상도가 더욱 줄어들어 12nm가 되는데 이러면 싱글 패터닝에 프로세스 계수를 0.29로 낮춘 것과 같습니다.

 

그러나 멀티 패터닝 기술은 처리량이 크게 떨어집니다. 싱글 패터닝 SE의 웨이퍼 처리 수량이 1시간당 130장이라면 더블 패터닝 LELE는 70개 정도로 떨어집니다. 트리플 패터닝 LELELE는 40장이 되버립니다. 

 

다음 세대인 5nm 노드에서 싱글 패터닝을 유지하면서 프로세스 계수를 0.39로 낮추거나, 더블 패터닝을 도입해 실질적인 프로세스 계수를 낮추는 방법을 선택해야 합니다. 둘 다 해상도는 16nm입니다. 양산은 2021년으로 예측됩니다. 더블 패터닝을 사용하면 2020년으로 앞당겨질 겁니다. 

 

3nm는 더 복잡해집니다. 싱글 패터닝 프로세스 계수를 0.29로 낮추거나 더블 패터닝 LELE에 프로세스 계수 0.39의 노광 기술을 결합, 혹은 트리플 패터닝 LELELE를 사용하는 방법이 있습니다. 어느 쪽이건 해상도는 12nm이며 양산 시작은 2023년으로 예측됩니다. 물론 트리플 패터닝을 사용하면 양산 시기는 더 빨라질 겁니다. 그 다음 세대인 2nm는 0.33 개구수의 EUV 노광 기술로는 불가능합니다. 개구수를 0.55로 높인 EUV 노광 기술의 실용화를 기다려야 합니다. 

 

 

EUV 노광 장치의 중첩 정밀도와 생산성을 지속적으로 향상

 

EUV 노광 기술 개발에서 EUV 노광 장치(EUV 스캐너)의 개선이 아주 중요합니다. EUV 노광 장치 업체 ASML은 현재 7nm 세대 양산에 사용 중인 EUV 스캐너 NXE : 3400B의 후속 로드맵을 발표했습니다. 기존 모델을 기반으로 오버레이 오차를 줄인 버전을 개발 중입니다. 그 다음에는 오차를 더 줄이고 생산성(처리량)을 높인 제품을 만듭니다. 이렇게 만든 NXE : 3400C를 올해 말까지 출하하는데, 5nm 세대의 양산까지도 가능하리라 보입니다. 그리고 오버레이 오차를 더욱 줄이고 처리량을 높인 차세대 기종이 2021년에 나옵니다. 3nm 세대의 양산을 맡을 것으로 보입니다.

 

 

이들 EUV 노광 장치는 모두 개구수 0.33의 광학계를 탑재한 기종입니다. ASML은 계속해서 개구수를 0.55로 높인 EUV 노광 장치 개발에 본격적으로 나서고 있습니다. 0.55의 EUV 스캐너는 2023년 하반기에 나온다는 계획입니다. 첫번째 프로토타입은 2021년 연말입니다.