삼성전자가 반도체 패터닝 소재를 찾기 위한 스펙 오픈 정책을 쓰기로 했다. 김현우 반도체연구소 상무는 "극자외선(EUV) 리소그래피는 조만간 상용화 될 것"이라며 "실제로 생산 공정에 적용할 경우 장비사, 소재사, 반도체 제조사 모두 협업해야 만족할만한 성능이 나올 것이라고 본다"고 말했다.

삼성전자의 전략 선회는 미세공정 반도체 개발 걸림돌을 최대한 걷어내겠다는 뜻이다. 극자외선(EUV) 장비 개발이 예상보다 1~2년 늦어지면서 삼성전자를 비롯한 반도체 업체들은 미세회로를 구현하는데 애를 먹어왔다. 지금까지는 기존 불화아르곤(ArF)을 사용하는 액침(이머전) 장비를 개량해 썼지만 이마저도 한계에 다다랐다. 

▲TSMC의 EUV 장비. /TSMC 홈페이지 제공

패터닝 소재 개발이 관건

▲EUV로 회로를 그렸을 때 가장자리가 지저분해진다.

EUV는 기존 이머전 장비에 비해 광입자(포톤)의 양이 적어 정교한 선을 구현하기가 어렵다. 회로 가장자리가 매끈하게 그려지지 않아 오류가 날 가능성이 커진다. 선폭을 줄이더라도 생산성이 생각보다 떨어지고, 오류 때문에 성능 개선이 어려울 수 있다.  

장비 자체의 노즐도 좁아진다. 빛을 쬐어주는 힘(파워)이 줄어들어 노광 시간이 길어진다. 필요한 산포를 맞출 수 있으려면 포토레지스터(PR)가 60mJ/㎠ 정도 표면장력을 보유해야 한다.  

EUV 문제를 해결하기 위해 메탈이 포함된 PR이 개발되고는 있지만 렌즈를 오염시켜 부품 교체 비용이 증가할 수 있다. 메탈이 PR에 들어갔을 때 어떤 문제를 일으킬지도 여전히 의문이다. 고가의 EUV 장비로 메탈 PR를 테스트 해보는 것도 여의치 않다. 

포토 공정, 해상도를 높여라

미세공정은 포토 장비의 해상도를 높이는 게 관건이다. 해상도를 높이는 방법은 파장(λ)을 높이거나 개구수(NA)를 줄이는 것이다. 반도체 업계는 20nm 이하 반도체를 생산할 때 EUV 장비 개발을 기다리기보다 개구수를 줄이는 방식을 썼다. 기존 이머전 장비의 렌즈 앞에 물을 넣고 더블패터닝, 쿼드러플패터닝 등을 14nm, 10nm 공정에 적용했다.

개구수를 줄이는 방법은 포토 공정이 2배, 4배로 늘어나 쓰루풋(제품이 나오기까지 걸리는 시간)이 길고 생산성이 떨어진다. 더불어 투자비도 불어난다. EUV로 한번에 패터닝을 할 수 있다면 필요 없는 공정이 많아진다.  

삼성전자는 두 방식을 모두 연구해 좀 더 효율적인 방식을 실제 양산에 적용한다는 계획이다. 김 상무는 "어떤 게 먼저 성과를 낼지 장담할 수는 없다"며 "모든 가능성을 열어 두고 소재를 개발 중"이라고 설명했다.