SK하이닉스 "EUV 공정 난제, 새로운 대안으로 해결해 나갈 것"

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조사랑·결함·포토레지스트 난제 꼽아
attPSM 활용 빛 노출 장기화 문제 극복
투과율 88% 이상 펠리클로 오염 방지
무기물 기반 PR로 균일한 회로 각인 도모

유태준 SK하이닉스 TL이 지적한 EUV 양산의 문제점 <사진=SK하이닉스>
<유태준 SK하이닉스 TL이 지적한 EUV 양산의 문제점 <사진=SK하이닉스>>

SK하이닉스가 첨단 극자외선(EUV) 공정 난제를 해결하기 위한 다양한 솔루션을 제시했다. 생산성 문제를 해결할 수 있는 위상차마스크(PSM), EUV 마스크 덮개 역할을 하는 펠리클, 좁은 회로를 반듯하고 균일하게 찍어낼 수 있는 새로운 포토레지스트(PR)가 그 예다.

유태준 SK하이닉스 TL은 9일 '세미콘 코리아 2021'에서 SK하이닉스가 올 하반기부터 양산을 시작할 EUV D램을 소개하면서 EUV 공정이 지니고 있는 난제와 해결책에 대해 설명했다.

EUV 노광 공정의 장점. <자료=SK하이닉스>
<EUV 노광 공정의 장점. <자료=SK하이닉스>>

EUV 공정은 차세대 노광 공정이다. 기존 불화아르곤(ArF) 공정보다 14분의 1 짧은 13.5㎚ 파장 빛으로 더욱 미세하게 회로모양을 웨이퍼 위에 찍어낼 수 있다.

그러나 최근 개화한 기술인 만큼 넘어야 할 산이 많다. 유 TL은 EUV 양산 과정에서 직면한 문제점을 크게 '생산성'과 '결함' 문제를 꼽았다.

DtS와 생산성 문제. <자료=SK하이닉스>
<DtS와 생산성 문제. <자료=SK하이닉스>>

첫 번째 문제는 조사량(DtS:Dose to Size)이다. EUV 빛은 모든 물질에 흡수되기 어려운 성질을 지니고 있다. 따라서 빛을 웨이퍼에 오랜 시간 노출해야 원하는 회로 모양을 찍어낼 수 있게 되는데 이 문제는 생산성에 치명적인 문제를 일으키게 된다.

EUV attPSM 콘셉트. <자료=SK하이닉스>
<EUV attPSM 콘셉트. <자료=SK하이닉스>>

유 TL이 제시한 대안은 탄탈룸(Ta)을 활용한 'attPSM'이다. 웨이퍼에 닿기 전 회로 모양이 그려진 마스크 구조와 구성 물질에 변형을 줘 보다 적은 빛으로 명확한 회로를 찍어내게끔 한다는 아이디어다. 다만 기술 고난도로 블랭크마스크 업체와의 끈끈한 협력이 필요하다는 게 그의 진단이다.

두 번째는 '결함' 문제다. EUV 광원으로 찍어내는 회로는 기존보다 상당히 미세하다. 공정 중 기존과 똑같은 오염 물질이 발견되더라도 상대적으로 더 큰 문제가 발생할 수 있다.

EUV 펠리클 개발 상황과 문제점. <자료=SK하이닉스>
<EUV 펠리클 개발 상황과 문제점. <자료=SK하이닉스>>

이를 해결하기 위한 소재가 '펠리클'이다. EUV 마스크 위에 덮개를 씌워서 오염 물질을 방지하겠다는 콘셉트다. 아직까지는 펠리클 없이 노광 공정을 진행하고 있지만, EUV 상용화로 생산 규모가 커지면 이 소재가 반드시 필요하다는 게 업계 평가다.

현재 EUV 펠리클은 에스앤에스텍, FST 등 국내 업체들도 개발에 한창이다. 유 TL은 펠리클의 필요성을 설명하면서도 아직 소재 기술 수준이 양산에 투입할 만한 단계에 도달하지 못했다고 설명했다.

그는 “양산에 필요한 빛 투과율은 88% 이상이 돼야 하지만, 현재까지 개발된 펠리클의 투과율은 82% 정도에 각종 로스(loss)가 발생하고 있다”며 “더 많은 기술 개선이 필요할 것으로 보인다”고 설명했다.

무기물 PR 등 차세대 EUV PR 종류와 성능. <자료=SK하이닉스>
<무기물 PR 등 차세대 EUV PR 종류와 성능. <자료=SK하이닉스>>

마지막으로 그가 지적한 문제는 'EUV PR'이다. EUV 광원은 ArF 광원보다 14.3배 높은 에너지를 지니고 있다. 그만큼 단위 면적당 빛을 구성하는 가장 작은 단위 알갱이인 광자(photon) 수도 적어, 울퉁불퉁한 회로를 만들어낼 확률이 크다. 이를 '샷 노이즈'라고 한다.

뿐만 아니라 PR의 구성 성분이 많을수록 웨이퍼에 PR을 도포한 뒤 각종 성분이 마음대로 뒤섞여 '마이크로 브리지' 등 각종 결함을 야기한다.

이를 해결하기 위한 대안이 무기물(메탈 옥시드) 기반 PR이다. 기존 PR보다 단순한 구성으로 이뤄진 데다 광자를 잘 흡수하는 성질을 지니고 있어 다수의 노광 공정에서도 균일하고 반듯한 회로를 찍어낼 수 있는 것이 장점이다. SK하이닉스는 이 소재의 가능성을 보고 지난해 2월 미국 무기물 PR 생산업체 인프리아에 투자한 바 있다.

유 TL은 “EUV 공정의 장점을 극대화하기 위한 각종 필터 시스템, 세정 시스템을 더욱 개선해야 한다”며 “10나노 이하 EUV 공정으로 D램 미세화를 지속 진행할 것”이라고 강조했다.

강해령기자 kang@etnews.com