[알아봅시다] 이머전 리소그라피

물로 빛 굴절률 높여 반도체 미세회로 인쇄
노광 두 번 거친 '더블패터닝' 기술로 20나노급 구현
극자외선 광원활용 'EUV리소그라피' 2012년 상용화

국내 반도체 제조사인 삼성전자와 하이닉스반도체가 최근 30나노급 D램, 20나노급 낸드플래시 등 초미세공정을 적용한 메모리반도체를 개발하는데 성공했습니다. 삼성전자가 지난 1월 35나노 공정을 적용한 2기가비트(Gb) DDR3 D램을 세계 최초로 개발해 하반기 생산에 들어갑니다. 또 삼성전자와 하이닉스는 지난달 각각 27나노와 26나노 64Gb 낸드플래시를 개발해 연내 양산에 들어갑니다.

불과 몇 년 전만 해도 30나노급 D램과 20나노급 낸드플래시 개발은 상당히 어려울 것이라는 예측이 많았습니다. 이는 회로선폭이 30나노급 이하로 내려가 메모리 셀 집적 공간이 너무나도 줄어들고, 이로 인해 기존 메모리반도체를 구성하는 물질이 한계에 봉착해 제대로 성능을 내기 어렵다는 게 일반적 관측이었기 때문입니다. 또 30나노(1나노는 10억분의 1m)급 이하 회로선폭(회로선과 선의 간격)으로 반도체를 설계하기란 무척 까다로워 기존과는 전혀 다른 방식으로 회로도를 그려야하기 때문이었습니다.

손톱만한 크기의 메모리반도체에 30나노급 이하 선폭의 미세회로를 그려넣으려면 기존 반도체 노광기로는 불가능합니다. 삼성전자와 하이닉스 등 반도체 제조사들은 이같은 문제 해결을 위해 이머전 리소그라피(Immersion Lithography)라는 노광기와 회로도를 두 번에 나눠 겹쳐 그려넣는 더블패터닝(Double Patterning) 기술을 40나노급 D램에서부터 적용했고, 이번 30나노급 D램과 20나노급 낸드플래시 개발에도 적용했습니다. 오늘은 이 이머전 리소그라피라는 장비와 더블패터닝 기술이 뭔지, 차세대 10나노급 미세공정을 적용한 메모리 개발에 필수인 극자외선(EUV) 리소그라피 장비는 무엇인지 알아보겠습니다.

◇이머전 리소그라피 노광이란=이머전 리소그라피란 말은 원어 뜻대로 해석하면 '물에 담그는 석판 인쇄'라는 의미입니다. 이머전 리소그라피를 설명하기 전에 우선 반도체 노광 공정(포토 리소그라피)에 대한 이해가 필요합니다. 반도체 웨이퍼 위에 회로도를 그려넣는 노광 방법은 아날로그 필름 카메라 방식과 유사합니다. 감광액을 바른 웨이퍼 위에 회로도 원판(석영 마스크)을 놓고 빛을 쪼이면 빛에 노출된 부분만 형상화하는 원리입니다. 반도체 회로선폭 미세공정이 과거 0.2∼0.3마이크론(100만분의1미터)에서 2000년 들어 나노 공정으로 넘어오면서 노광 공정에서 빛(광원)의 파장이 매우 중요해졌습니다. 광원 파장이 길면 마스크를 통과한 회로도가 미세하게 웨이퍼에 나타나지 않겠죠. 미세공정이 진화하면 할수록 더욱 파장이 짧은 광원이 필요하게 된 것입니다. 초기 마이크론 공정의 노광기에는 수은램프를 광원으로 사용했지만, 0.13마이크론이나 90나노 공정까지는 수은광보다 파장이 더 짧은 불화크립톤(KrF)을 이용한 레이저 광원을 사용했습니다. 이후 90나노 이하에서 최근 개발한 20나노급까지는 파장이 더 짧은 불화아르곤(ArF)을 이용한 레이저 광원을 사용하고 있습니다. 그러나 40나노급 이하에선 불화아르곤 노광기만을 사용해선 미세한 회로 선폭을 구현할 수 없었습니다. 그래서 등장한 것이 웨이퍼와 마스크 사이에 위치하는 현미경(프로젝션 렌즈)에 물을 채워 빛의 굴절률을 높이는 방법입니다. 굴절률이 높아지면 현미경의 포커스(초점) 심도(깊이)가 높아져 더 미세하게 회로를 그릴 수 있게 됩니다. 이것이 바로 이머전 리소그라피라는 것입니다.

◇더블패터닝과 EUV리소그라피란=반도체 20∼30나노급 미세공정은 이같은 이머전 리소그라피 노광방식만으로도 완벽하게 회로를 그려넣기 어렵다고 합니다. 그래서 고안해낸 것이 회로도를 두 번에 나눠 그려넣은 더블패터닝입니다. 예를 들어 첫 번째 회로는 선폭을 50나노급으로 해서 찍고, 두 번째는 첫 번째 회로와 회로 사이에 회로를 그려넣으면 최종 회로선폭은 25나노가 되는 식입니다.

반도체 전문가들은 20나노급까진 기존 이머전 리소그라피와 더블패터닝으로 가능하지만, 10나노급으로 내려가면 이머전 가지고도 회로선폭 구현이 어려울 것으로 예상하고 있습니다. 이에 따라 광원 파장이 불화아르곤보다 더 짧은 극자외선(EUV;Extreme UltraViolet)광원을 활용하는 EUV리소그라피 장비가 필요합니다. 극자외선 광원은 진공 상태 공간에 원자를 플라즈마 상태로 만들어 양이온과 전자를 충돌시키면 얻을 수 있습니다. EUV리소그라피 장비는 현재 개발중이며, 2012년쯤 상용화될 것으로 예상됩니다.

김승룡기자 srkim@

도움말=하이닉스반도체