2017년의 첨단 반도체 로직(프로세서와 SoC)는 10nm 세대의 본격적인 양산에 돌입합니다. 차세대에 해당하는 7nm 세대의 양산은 2018년에 시작하여 2019년~2020년에 양산이 본격화 될 것으로 예상됩니다.

 

그 다음 세대인 5nm 세대의 양산 시기는 언제가 될까요? 지금까지 했던 대로 일정을 유지한다면 2021년에는 소량 생산이 시작됩니다. 본격적인 양산 개시 시기는 2022년~2023년입니다.

 

거기서 다시 다음 세대인 3nm는 아직 잘 모릅니다. 지금까지의 개발 속도가 계속될 거라고 가정하면 소량 생산은 2023년~2024년에 시작하며 본격적인 양산 개시 시기는 2025년~2026년이 됩니다.

 

 

EUV 노광 기술이 그리는 7nm 노드 이후의 미세화 로드맵

 

미세화를 견인하는 건 반도체 회로 패턴을 형성하는 기술, 즉 리소그래피(노광) 기술입니다. 7nm 세대에서 다음의 미세화를 실용적인 가격으로 견인할 것 같은 기술은 EUV(Extreme Ultra-Violet : 극단 자외선) 노광 기술임이 분명해지고 있습니다.

 

기존의 노광 기술인 ArF 액침 노광과 멀티 패터닝의 조합은 1 레이어의 패턴 형성에 할당하는 노출 횟수를 늘리는 것 외에 다른 방법이 없습니다. 최소한 지금은 ArF 액침 노광에서 다른 방법이 보이지 않습니다.

 

멀티 패터닝 기술에서 노출 횟수를 늘리면 제조 비용이 급격하게 늘어나는 심각한 단점이 있습니다. 우선 노광 및 현상, 에칭을 반복하기에 단위 시간당 웨이퍼 처리량이 급속히 줄어듭니다. 처리량의 감소는 제조 비용의 상승을 의미합니다. 그리고 노출의 정렬에 요구되는 정밀도가 급속하게 늘어납니다. 따라서 제조 장비의 가격이 오릅니다. 또한 해상 패턴의 형상이 왜곡되기에 제조 수율이 떨어질 우려가 높아집니다. 제조 수율의 저하는 제조 비용의 상승을 의미합니다.

 

그런데 EUV 노광 기술은 다중 패터닝을 도입하지 않고 상당한 수준까지 미세화할 수 있다는 전망이 나온 기술입니다. 구체적으로는 3nm 세대까지를 시야에 넣고 있습니다. 유일한 최첨단 노광 장치 업체인 네덜란드 ASML은 7nm 세대 이후의 로직 양산은 ArF 액침 노광보다 EUV 노광을 유력하게 보고 있습니다.

 

 

광학계의 고 NA가 EUV 노광의 미세화를 견인

 

EUV 노광 기술로 7nm 이후의 미세화를 견인하는 것은 광학계의 개구 수(NA)를 높이거나 마스크와 웨이퍼의 중첩 오차(정렬 오차)를 줄이는 기술, 이렇게 두가지가 핵심입니다. ASML이 양산용 노광 기술을 개발하기 위해 EUV 노광 장치는 개구 수 0.33의 광학계를 갖췄습니다.

 

노출의 해상도(분해능)은 광원의 파장에 비례하고 광학계의 개구 수에 반비례합니다. 파장이 짧아지거나 NA가 커질수록 해상도는 향상됩니다. 즉 패터닝 가능한 최소 크기(하프 피치)가 짧아집니다. 또한 레지스트의 성능과 중첩 오차 등에 관련한 비례 계수(프로세스 계수라고도 함)가 존재해, 비례 계수를 작게 줄여도 해상도는 높아집니다.

 

 

반도체 노광 기술의 분해능(해상도)의 정의

 

EUV 노광 기술의 광원 파장은 13.5nm며 이것은 기본적으로 변하지 않습니다. 남는 건 개구 수와 프로세스 계수(k1) 뿐입니다. ASML은 EUV 광학계의 개구 수를 현재의 0.33에서 앞으로 0.50보다 큰 값으로 높여, 5nm 세대와 3nm 세대의 로직 양산을 가능하게 할 거란 로드맵을 제시했습니다.

 

 

EUV 노광 기술의 해상도. 프로세스 계수(k1)을 0.34라고 가정해 계산했습니다. 이 계수는 상당히 낙관적인 관측으로 잡은거라 실제 해상도는 더 낮아질 가능성이 높습니다

 

 

ArF 액침 노광 및 EUV 노광의 미세화 로드맵. 7nm 이후의 로직 세대에서는 EUV 노광을 유력하게 보고 있음을 알 수 있습니다. ASML이 2016년 10월 31일에 애널리스트를 위한 설명회에서 제시한 슬라이드

 

 

최신 노광기 NXE : 3400B. 사상 최대의 처리량을 달성

 

노광 장치 기반 개발을 구체적으로 봅시다. ASML은 2010년에 개구 수가 0.25인 EUV 노광 장치 NXE : 3100을 개발하고 출하를 시작했습니다. 이 NXE : 3100가 최초의 본격적인 EUV 노광 장치입니다. NXE : 3100은 EUV 노광의 양산 기술 개발을 위해 만들었으나 상업 생산까지는 도달하지 못했습니다.

 

3년 후 2013년에 ASML은 개구 수를 0.33로 높이고 오버레이 오차를 줄인 EUV 노광 장치 NXE:3300B를 개발하고 출하를 시작했습니다. 또한 2년 후 2015년에는 오버레이 오차를 줄여 해상도를 향상시킨 NXE : 3350B를 개발하고 판매했습니다.

 

현재 시점에서는 반도체 연구 개발 기관 imec와 최첨단 로직을 제조하는 인텔, TSMC, 글로벌 파운드리, 삼성 전자, 최첨단 DRAM을 생산하는 삼성과 SK 하이닉스가 NXE : 3300B나 NXE : 3350B로 EUV 노광 기술을 개발하고 있습니다.

 

최첨단 노광 기술에 관한 세계 최대의 국제 학회인 SPIE Advanced Lithography(2017년 2월 26일~3월 2일. 미국 캘리포니아 산호세에서 개최)에서 인텔은 전 세계에서 8개의 NXE : 3300B와 6개의 NXE : 3350B가 가동 중이라고 밝혔습니다.

 

그리고 올해 ASML은 차세대 EUV 노광 장치 NXE : 3400B의 출하를 시작합니다. NXE : 3400B의 개구 수는 0.33로 이전 세대와 같지만 조명 광학계를 개선하고 중첩 오차를 줄여 해상도를 향상시켰습니다. 7nm 세대의 로직 양산에 처음으로 EUV 노광을 도입하는 걸 상정해 개발한 기종입니다. 

 

 

ASML이 개발한 EUV 노광 장치의 출시 연도와 주요 사양. 처리 단위 (wph)는 시간당 웨이퍼 처리 수

 

국제 학회 SPIE Advanced Lithography에서 ASML가 NXE : 3400B의 실력을 공개했습니다(강연 번호: 10143-9). 하프 피치 13nm의 평행 직선 패턴을 해상했을 때의 초점 심도 (DOF)는 160nm며 선폭의 차이(LWR)는 3.8nm입니다. LWR은 아직 개선의 필요가 있는 듯 합니다. 장치 사이의 정렬 오차는 1.8nm로 매우 작습니다.

 

광원 출력은 최대 209W며 이때 사상 최대의 처리량인 104장/시간을 냈다고 합니다. 이 처리량은 순간 최대 값이고 안정적으로 얻을 수 있는 건 아닙니다. 2018년 상반기까지 125장/시간에 가까운 처리량을 안정적으로 낼 것으로 기대합니다.

 

EUV 노광을 양산에 투입하는 경우 노광 프로세스는 ArF 액침 노광을 함께 사용합니다. 그래서 ASML은 NXE : 3400B과 ArF 액침 노광 장치 NXT : 1980Di를 연결하여 노출했을 때의 정렬 수준도 평가했습니다. 프로세스 순서에서 EUV 노광을 먼저, ArF 액침 노광을 나중에 했을 때의 정렬 오차 (3σ)는 수평 방향 (X 방향)과 수직 방향 (Y 방향)이 모두 2.0nm 이하였습니다.

 

 

EUV 노광 장치 NXE : 3400B의 개요. 2016년 10월 24일 ASML가 국제 학회인 International Symposium on Extreme Ultraviolet Lithography(EUVL Symposium)에서 강연한 슬라이드

 

 

차기 EUV 노광기는 광원 출력의 증가로 생산성이 향상

 

NXE : 3400B의 후속작이자 차기 EUV 노광 장치(가칭 : NXE : 3450C)의 스펙도 나오고 있습니다. 광원의 출력을 최대 350W로 늘려 생산성을 145장/시간으로 높이는 게 목표입니다. 덧붙여서 NXE : 3400B의 목표 사양은 광원 출력이 최대 250W, 처리량이 125 장/시간 입니다.

 

광학계의 개구 수는 0.33, 해상도는 13nm로 기존과 같습니다. 정렬 오차는 장치가 1.7nm, 장치 사이가 2.0nm로 줄었습니다. 출하시기는 2016년 6월에 2019년이라 잡았으나 최근에는 정확한 출하 시기를 명시하지 않게 됐습니다.

 

 

EUV 노광 장치 NXE 시리즈의 개발 로드맵. ASML이 2017년 6월에 개최한 이벤트 EUVL Workshop에서 발표

 

 

EUV 노광 장치 NXE 시리즈의 개발 로드맵. 차기 노광 장치와 높은 NA를 지닌 노광 장치의 출하시기가 모호해졌습니다. ASML이 2017년 10월에 개최한 이벤트 EUVL Symposium에서 발표

 

차기 EUV 노광 장치(가칭 : NXE : 3450C)의 다음은 차세대기인 고 NA EUV 노광 장치(가칭 : NXE : 3500)의 개발을 완료할 계획입니다. 이 차세대 기종에서 3nm 로직의 양산을 목표로 합니다.