EUV 노광이 10년 후의 미세화까지 견인
최첨단 반도체의 고밀도 트렌드와 그 예측. 왼쪽의 그래프는 DRAM의 저장 밀도입니다. 2020년대에 연평균 5%~10%의 비율로 고밀도화가 이어집니다. 오른쪽 그래프는 반도체 로직 트랜지스터 밀도로 2020년대에도 연평균 10%~28%의 비율로 밀도를 높여 나갑니다. EUV 노광 장치 업체인 ASML이 2018년 11월에 애널리스트 설명회에서 발표한 슬라이드에서 발췌.
최첨단 반도체 로직과 DRAM 등의 미세화와 고밀도를 견인할 차세대 EUV(Extreme Ultra-Violet) 노광 기술이 본격적으로 개발 중입니다. 개발이 순조롭게 진행되면 2020년대 후반에 최첨단 반도체 양산을 맡을 겁니다.
EUV 노광 기술은 7nm 세대의 반도체 로직부터 양산에 도입됐습니다. 그리고 앞으로의 5nm 세대와 3nm 세대의 반도체 로직까지는 7nm 세대 양산에 적용된 현 세대의 EUV 노광 기술을 개선해 미세화를 계속 해나갑니다. 현 세대의 EUV 노광 기술은 3nm 세대까지가 한계입니다. 3nm에서 2nm, 그 다음의 14nm는 차세대 EUV 노광 기술을 씁니다.
최첨단 반도체 생산을 뒷받침하는 리소그래피(노광) 기술의 동향과 앞으로 전망. 왼쪽 그래프는 주요 반도체 제품과 리소그래피 기술의 트랜드입니다. 마이크로 프로세서와 로직, DRAM은 2020년 이후에도 미세화가 계속됩니다. 지금까지는 ArF 액침(ArFi) 노출과 멀티 패터닝의 조합으로 미세화를 진행해 왔습니다(청색 실선). 앞으로는 EUV 노광(황색 실선)으로 미세화를 진행합니다. EUV 노광에서도 멀티 패터닝을 결합합니다. 2020년대 후반에는 차세대 EUV 노광(HiNA, 노란색 실선)을 도입합니다. 오른쪽 그래프는 로직과 DRAM의 양산의 중첩 오차를 표시한 것입니다. 7nm에선 중첩 오차가 3.5nm, 5nm는 2.5nm, 3nm는 2.0nm로 줄여 나갑니다. 앞으로 DRAM보다 로직이 오버레이 오차에 대한 요구가 높아집니다.
주요 반도체 제품의 스케일링(저장 용량이나 트랜지스터의 밀도 향상) 로드맵.
차세대 EUV 노광에서는 개구율이 1.67배 증가
기존 세대의 EUV 노광 기술과 차세대의 EUV 노광 기술은 광학계 개구율(NA)가 다릅니다. 현 세대의 NA는 0.33입니다. 차세대 기술의 NA는 0.55로 높습니다. 그래서 차세대 EUV 노광 기술을 High-NA나 HiNA라고 부르곤 합니다.
반도체 노광 기술의 해상도(하프 피치, R)는 노광 파장(λ)에 비례하고, 광학계의 NA에 반비례합니다. NA를 높이면 하프 피치가 짧아집니다. 즉, 미세화가 진행됩니다. High-NA 0.55의 개구율은 현 세대의 0.33에 비해 1.67배 높습니다. 하프 피치는 0.6배로 짧아집니다. 이 차이는 매우 큽니다.
이 차이가 어느 정도인지 자세히 봅시다. 예를 들어 5nm/3nm의 기술 노드에 해당하는 12nm 하프 피치를 실현하기 위해서현 세대의 EUV 노광 기술은 멀티 패터닝(다중 노출) 기술, 구체적으로는 트리플 패터닝(LELELE) 기술이 필요합니다. 트리플 패터닝은 싱글 패터닝에 비해 처리량이 몹시 낮습니다. 따라서 패턴 가공에 필요한 비용이 싱글 패터닝보다 크게 늘어납니다.
차세대 High-NA EUV 노광 기술은 단일 노출로 하프 피치 12nm의 패턴을 실현합니다. 그럼 4배 정도 차이가 나는 것이죠. 1층의 패턴 가공에 필요한 제조 비용에 비해 NA 0.55인 싱글 패터닝은 NA 0.33 트리플 패터닝보다 제조 비용이 1/2.5 정도로 줄어듭니다. 더 자세히 말하면 ArF 액침 트리플 패터닝(ArFi LE3)과 NA 0.33의 EUV 싱글 패터닝(LE)이 거의 비슷합니다. EUV 노광이 ArF 액침 노광보다 기본적인 비용이 더 비쌉니다. 같은 EUV끼리 비교하면 NA 0.33인 EUV의 더블 패터닝(LE2)보다 NA 0.55의 EUV 싱글 패터닝(LE)가 훨씬 저렴합니다.
차세대 EUV 노광 장치의 시험 제작기는 2021년 말까지 출하
차세대 High-NA EUV 노광을 실현할 노광 장치(스캐너)의 개발을 주도하는 유일한 EUV 노광 장치 제조사는 ASML입니다. ASML은 NA가 0.55인 EUV 노광 장치의 첫 프로토타입을 2021년 말까지 출시할 예정입니다. 이 프로토타입은 2018년 1분기에 3곳의 고객에게서 4대의 주문을 받았습니다. 이 3곳의 고객에는 연구 개발 기관인 imec, 세계 최대의 파운드리인 TSMC가 포함됐으리라 보입니다. 또 imec는 ASML이 개발한 차세대 EUV 노광 기술의 파트너로 imec에서 실제 패턴을 테스트합니다. 양산용 시스템의 출시는 2024년. 이 시스템은 2018년 1분기 시점에 8대가 예약됐습니다. 초기 노드는 3nm.
High-NA로 광학계가 크고 무거워짐
EUV 노광 장치의 NA를 0.33에서 0.55로 높이려면 우선 광학계부터 바꿔야 합니다. 광학계는 광원부터 마스크(레티클)에 이르는 전반 부분인 조명 광학계, 마스크로 반사 패턴을 웨이퍼에 전사하는 후반 부분인 투영 광학계로 나뉩니다.
EUV 노광 장치의 구조입니다. 왼쪽의 광원에서 나온 EUV 광선이 조명 광학계(illuminator)를 거쳐 중앙의 마스크에 도달합니다. 마스크에서 반사된 패턴은 투영 광학계 (projection optics)를 거쳐 오른쪽 하단의 웨이퍼에 전사됩니다.
마스크 패턴은 축소 웨이퍼에 투영됩니다. 그래서 마스크의 NA는 웨이퍼의 NA/축소 비율(4배)가 되면서 원본보다 매우 작아집니다. 따라서 조명 광학계는 그리 크게 바뀌진 않을 듯 합니다(광원의 출력 향상에 의한 변화는 제외).
이에 비해 투영 광학계는 큰 변화가 필요합니다. 단순히 정리하면 광학계의 크기와 반사 렌즈가 커집니다. 가장 큰 반사 렌즈는 웨이퍼에 직접 빛을 보내는 대물 렌즈로, 렌즈 본체의 무게는 수백 kg, 틀을 포함하면 총 무게는 1t에 달합니다.
광학계는 예전부터 반도체 제조용 정밀 광학 부품 업체인 칼 자이스 SMT가 EUV 스캐너의 공동 개발 파트너로 참여했습니다. NA 0.55의 광학계도 이곳에서 개발을 담당합니다.
투영 광학계의 크기 변화. 왼쪽은 NA 0.25, 중앙은 NA 0.33, 오른족은 NA 0.55의 투영 광학게입니다. 반사경의 수는 모두 6장입니다. NA를 높이면서 반사경의 크기가 커지면서 광로가 길어집니다. 광학계 전체의 크기는 길고, 넓고, 무거워집니다.
광학계가 크고 무거워지지만 광학계에 요구하는 정밀도는 그대로입니다. 오히려 어려워지지요. 기술과 생산 모두 해결해야할 점이 많습니다.
우선 NA가 큰 대물 렌즈를 만드는 것 자체가 어렵습니다. 더불어 파면 수차를 NA 0.33보다 줄여야 합니다. 빛의 산란은 더 줄여야 하고, 콘트라스트는 더 높여야 합니다.
축소 비율을 높여 패턴의 콘트라스트를 유지
NA 0.55의 투영 광학계에서는 또 다른 큰 변화가 있습니다. 축소 비율의 변화입니다. NA 0.33의 EUV 스캐너는 축소 비율이 4배였습니다. 이것은 마스크(래티클)의 노출 영역이 웨이퍼 노광 영역의 4배가 된다는 말입니다. 웨이퍼를 한 번 스캔하는 노출 영역은 전체 필드 26mm에 스캔 방향 33mm니 이 둘을 곱해 858제곱mm가 됩니다. 마스크의 노출 영역은 104x132mm입니다.
이런 노광 영역은 ArF 노광 장치(ArF 스캐너)와 같은 크기며, EUV 노광 장치와 ArF 노광 장치를 적절히 조합해야 반도체 제조 공정 입장에선 편합니다. 즉, ArF 스캐너에 맞춰 설계한 노광 공정 일부에 EUV 스캐너를 쉽게 통합할 수 있도록 크기를 똑같이 맞춥니다.
그러나 NA를 0.55로 높인 차세대 EUV 스캐너는 심각한 문제가 생겼습니다. 마스크에 들어와 반사되는 광선의 각도가 커지다보니, 패턴의 컨트라스트가 허용 불가능한 수준까지 떨어집니다. 마스크 재료나 구조를 수정하는 게 가장 간단하지만, 아직은 계획이 없습니다.
그래서 나온 게 비율의 확대입니다. 축소 비율을 8배로 늘리면 마스크의 광선 각도가 작아집니다. 그럼 마스크에서 반사되는 패턴의 컨트라스트가 향상됩니다. 그러나 마스크 크기를 유지하면서 축소 비율을 8배(기존의 2배)로 하면 웨이퍼의 노출 영역이 기존의 1/4로 대폭 줄어듭니다. 노광 영역의 면적을 유지하려면 마스크 면적을 4배로 늘려야 하나, 이러면 마스크 그 자체는 물론이고 조명 광학계도 큰 변화가 필요합니다. 이는 비현실적입니다.
그래서 나온 절충안이 마스크를 스캔하는 폭을 줄이고, 축소 비율은 기존대로 4배를 유지하는 방법입니다. 스캔 값이 줄어들면서 컨트라스트의 저하가 크지 않습니다. 그 결과 웨이퍼의 노출 영역은 기존의 절반이 됩니다. 너비는 26mm, 스캔 길이는 16.5mm입니다. 지금은 이 하프 필드를 도입해 실용화를 추진합니다.
처리량을 크게 높인 차세대 EUV 스캐너의 스펙
노광 영역의 면적이 기존의 절반이 된다는 건 웨이퍼의 노출 횟수가 2배르 늘어난다는 이야기입니다. 한마디로 특정 시간 당 웨이퍼 처리량이 떨어집니다. 이를 유지하려면 High-NA의 EUV 스캐너는 마스크 스테이지의 속도를 4배로, 웨이퍼 스테이지의 속도는 2배로 늘립니다. 또 광원 출력을 향상시켜 NA 0.33인 기존 기종 NXE : 3400의 145~155장에서 185장으로 높이려 합니다.
NA를 0.55로 높인 차세대 EUV 스캐너의 개요. 중첩 오차의 저감, 마스크 스테이지의 고속화, 투영 광학계의 NA와 투과율 향상, 새로운 프레임의 도입, 웨이퍼 스테이지의 고속화, 광원의 출력 향상 등의 개량이 이루어졌습니다. 위 사진은 기존 기종인 NXE : 3400으로, 왼쪽의 사람과 비교하면 크기가 어느 정도인지 파악이 됩니다. 뒤에 나온 그림이 현재 개발 중인 차세대 스캐너의 이미지로, 기존 모델보다 크기가 커졌습니다.
EUV 광원의 출력 실험 결과. 실험실에선 410W, 현재 양산인 250W의 1.6배 높은 출력이 나왔습니다.
절반의 노출 영역에서 높은 처리량을 유지하는 옵션
ASML은 185장/h의 높은 처리량을 전제로 합니다. 하프 필드(26mm × 16.5mm, 429제곱mm)를 초과하지 않는 실리콘 다이를 취급해 목표로 하는 145장/h 보다 높은 처리량을 제공할 수 있습니다.
예를 들어 전체 크기의 필드(26mm × 33mm)에 9 개의 실리콘 다이를 넣는다고 가정합시다. 실리콘 다이의 크기는 11.0mm × 8.66mm (95.26제곱mm)입니다. 하프 필드로 나누면 단순히 잡아도 2개의 마스크가 필요하니까 처리량은 25% 떨어집니다. 그럼 138장/h, 지금의 목표인 145장/h보다 떨어집니다.
그래서 1장의 마스크로 전체 필드의 스캔을 끝냅니다. 1/3 필드를 3번 스캔하면 처리량은 15% 떨어지니 157장/h로 지금 처리량보다 높습니다. 또 실리콘 다이 크기를 조정해 하프 필드에 최적화합니다. 실리콘 다이 크기를 11.55mm × 8.25mm (95.29제곱mm)로 바꿉니다. 그러면 하프 필드에 4개의 실리콘 다이가 들어갑니다. 이 때 처리량 감소는 5%, 그럼 175장/h의 처리량이 나옵니다.
노광의 핵심, 광학계 개발이 본격화
마지막으로 차세대 High-NA EUV 노광을 실현하는 노광 장치(스캐너)의 개발 거점입니다. 노광 장치 전체의 개발을 담당하는 ASML, 광학계의 개발을 담당하는 칼 자이스 SMT의 두 곳이 있습니다. ASML은 미국 코네티컷 주 윌튼 공장(상위 모듈), 네덜란드 벨트호벤 공장(최종 조립), 미국 캘리포니아주 샌디애고 공장(광원 담당)이 있습니다. 칼 자이스 SMT는 독일 오버코헨 공장(광학 담당)이 있습니다. 모두 새로 건물을 만들거나 기존 건물을 확장하고 있습니다.
그 중에서도 가장 눈에 띄는 게 칼 자이스 SMT의 오버코헨 공장입니다. 2017년부터 2018년의 실적을 보면 새로 건물을 올리고, EUV 광학계를 개발하기 위한 거대한 진공 용기(베셀), 수 백 kg에 달하는 렌즈를 올리기 위한 로봇 크레인 등을 반입하고 있습니다.
진공 용기의 문을 열고 작업 중. 반사경을 운반할 로봇 크레인.
칼 자이스 SMT의 공장 건설.
2017년 10월의 칼 자이스 SMT 공장.
칼토로스
