EUV(Extreme Ultra-Violet. 극 자외선) 노광 기술의 첨단 로직 반도체 양산이 드디어 시작됐습니다. 2018년 10월에 삼성전자가 EUV 노광 기술을 도입한 7nm 세대의 반도체 로직 생산을 시작했다고 공식 발표했습니다.
최첨단 로직 양산에 EUV 노광 기술을 채용한 회사는 삼성 뿐만이 아닙니다. TSMC는 7nm 노드의 2세대 버전 N7+ (7FF +)에 EUV 노광 기술을 도입하고 2019년 2분기에 양산을 시작한다고 발표했습니다. 인텔의 양산 시기는 미정이나 7nm 세대 노드에서 EUV 노광을 도입한다고 입장을 밝혔습니다.
EUV 노광 처리된 실리콘 웨이퍼의 누적(왼쪽)과 첨단 반도체 제조 기술을 보유한 회사의 견해(오른쪽). EUV 노광 장치 개발 업체인 ASML이 2018년 11월에 개최한 애널리스트 관련 이벤트에서 강연한 슬라이드
DRAM에도 EUV 노광 기술을 도입하려는 움직임이 있습니다. 16nm 세대의 DRAM 제조에서 SK 하이닉스가 EUV 노광 기술을 도입할 계획입니다. EUV 노광 장치 개발 업체인 ASML은 2018년 11월에 개최한 애널리스트 이벤트에서 발표한 내용에서 SK 하이닉스가 2018년 7월 27일에 발표한 새 DRAM 공장인 M16의 건설을 보도했습니다. M16은 2019년에 EUV 노광 기술을 도입한 16nm 세대의 DRAM의 생산을 시작하며 2020년에는 본격적인 양산에 들어간다고 알려졌습니다.
ArF 액침 멀티 패터닝보다 비용을 크게 절감
EUV 노광 기술의 장점은 명확합니다. 현재 최첨단 노광 기술인 ArF 액침 노광과 멀티 패터닝 기술의 조합에 비해 처리량이 크게 오릅니다. 멀티 패터닝 기술에서는 노광, 현상, 에칭 등의 공정이 여러번 필요하지만, EUV 노광에서는 싱글 패터닝을 기본으로하기에 노광, 현상, 에칭 등의 공정이 한번으로 끝납니다.
처리량이 상승하면 실리콘 다이 1장을 만드는 비용이 떨어집니다. ASML은 EUV 노광 기술의 도입으로 제조 비용은 15%~50% 줄어든다고 봅니다. 그리고 박막층의 가공에 필요한 시간은 EUV 노광 기술을 도입하며 1/3~1/6으로 줄어듭니다.
마스크 패턴 충실도가 70% 향상
또 놓치지 말아야 할 장점이 있습니다. 마스크 패턴의 형상 신뢰도가 크게 높아진다는 겁니다. ArF 액침 노광과 멀티 패턴의 조합은 마스크 패턴의 재현이 떨어져 웨이퍼의 패턴이 확실치 않습니다.
이에 비해 한번 노출로 가공하는 EUV 노광에서는 패턴이 흐리지 않습니다. ArF 액침 노광과 멀티 패턴의 조합에서는 불가능했던 복잡한 회로 패턴을 EUV 노광에서 실현할 수 있습니다. 그러면 레이아웃 설계의 자유도가 높아져 회로 배선층 수가 줄어들고 마스크 수도 줄어듭니다. 설계 비용과 제조 비용 모두에서 비용 절감이 기대됩니다.
양산용 EUV 노광 장치의 누적 출하량은 2018년에 40대를 돌파
EUV 노광의 양산은 내년에 본격적으로 시작됩니다. EUV 노광의 양산은 ASML이 개발한 EUV 노광 장치인 NXE : 3400B이 중요한 역할을 맡습니다. 2017년에 출하를 시작해, 1시간에 125장의 웨이퍼를 처리합니다.
NXE : 3400B의 출하량은 순조롭게 성장하고 있습니다. 2017년엔 10대, 2018년 1~3분기엔 12대였습니다. 2018년 전체는 18대 예정. 과거에 개발한 NXE : 3300B와 NXE 3350B를 더하면 총 42대에 달합니다. 2019년에는 올해보다 더 많은 기기를 판매하며, NXE : 3400B를 출시할 계획입니다.
EUV 노광의 양산을 견인한 2개의 돌파구
이제서야 EUV 노광을 양산에 쓰게 된 가장 큰 이유는 올해 들어 기술 개발에 2개의 큰 혁신이 있어서라고 ASML은 말합니다.
첫번째 혁신은 EUV 광원의 출력 증가입니다. 양산의 기준인 1시간 당 125장의 웨이퍼를 처리하려면 광원 출력(중간 집광점IF의 출력)이 250W는 되야 합니다. 2018년 5~8월에 13주 동안 246W의 광원 출력을 안정적으로 유지했다고 합니다.
그 결과 마스크 박막(마스크의 미세 먼지를 보호하는 박막)를 설치한 상태에서 시간당 125장을 달성하게 됐습니다. 지금은 EUV 노광 장치 내부에서 작동 중에 먼지가 안 생길 수가 없어, 박막 없이 양산은 어렵다고 여겨집니다.
박막의 두께는 얇으나 EUV를 흡수하기에 EUV 광원에 요구하는 출력이 높아집니다. EUV 출력을 유지한다면 생산량이 떨어집니다. 박막 없이 EUV로 1시간에 125장을 만든다면 205W지만 박막을 씌우면 250W로 늘어납니다.
그 다음 혁신은 EUV 광원의 수집 장치(컬렉터)의 열화가 현저히 줄어들었다는 겁니다. EUV 광원은 파장 13.5nm의 펄스 레이저 플라즈마 광을 이용합니다. 이 때 플라즈마의 이용 효율을 높이기 위해 컬렉터를 넣어 반사되는 빛을 모읍니다.
그러나 펄스 레이저의 플라즈마를 맞으면 컬렉터의 반사경은 성능이 조금씩 줄어듭니다. 광원 출력을 높이기 위해 플라즈마 출력을 늘리면 반사경의 열화는 더 심해집니다.
2년 전인 2016년에는 80W의 낮은 출력으로도 10의 9승에 달하는 펄스(1Gp)당 0.4~0.6% 정도의 열화가 생겼습니다. 그런데 지금은 3배 이상인 250W로 출력이 늘어났지만 열화는 0.25%로 줄었습니다.
EUV 광원의 컬렉터.
이런 발전 덕분에 박막을 써도 1시간 당 웨이퍼 생산량이 100여장에 달하고, 조만간 125장까지 늘릴 수 있게 됐습니다. 처리량이 늘어나면서 EUV 노광 비용은 더 줄어들리라 기대됩니다.
물론 EUV 노광 도입의 초기 비용은 엄청나게 비쌉니다. 노광 장치도 비싸거니와 포토 레지스트나 마스크 등의 부재료도 ArF 액침 노광보다 비쌉니다. 이를 가능한 짧은 시간 안에 회수하기 위해 양산 규모를 늘리고 가급적 비싼 실리콘 다이를 생산할 필요가 있습니다. 반도체 파운드리는 대량으로 최첨단 로직을 발주하는 고객을 찾아야 합니다. 좋은 고객을 얼마나 확보하는지가 EUV 노광 도입의 성공을 좌우할 것입니다.
