반도체 회로 더 빠르고 정밀하게…EUV 핵심소재 설계법 찾았다

[이데일리 신영빈 기자] 반도체 초미세 회로를 만드는 극자외선(EUV) 공정에서 빛에 반응하는 핵심 소재인 포토레지스트의 감도와 정밀도를 조절하는 기술이 개발됐다.

울산과학기술원(UNIST)은 에너지화학공학과 장지현 교수 연구팀이 주석계 포토레지스트의 감도와 패턴 정밀도를 조절하는 기술을 개발했다고 21일 밝혔다.

장지현 교수(왼쪽)과 이진영 연구원 (사진=UNIST)

포토레지스트는 반도체 노광 공정에서 빛에 반응해 회로 모양을 만드는 소재다. 빛을 받은 부분과 받지 않은 부분이 현상액에 녹는 정도가 달라지는 성질을 이용해 웨이퍼 위에 미세한 회로 패턴을 남긴다.

주석계 포토레지스트는 EUV를 잘 흡수하고 얇게 도포하기 쉬운 데다 이후 회로 모양을 옮기는 식각 공정에도 잘 견뎌 차세대 EUV 소재로 주목받고 있다. 여러 개의 주석 원자 주위를 ‘리간드’라는 유기물질이 둘러싼 구조다.

연구팀은 이 리간드의 종류를 바꿔 주석 원자가 몇 개씩 모이는지를 조절하면 포토레지스트 감도와 패턴 정밀도를 바꿀 수 있다는 사실을 확인했다. 감도가 높으면 적은 에너지로 빠르게 회로를 만들 수 있고, 정밀도가 높으면 회로 선의 가장자리를 반듯하게 구현할 수 있다.

연구팀은 전자를 내주는 성질을 가진 ‘아다만탄-1-카르복실산’과 전자를 끌어당기는 ‘디페닐포스핀산’을 각각 리간드로 사용했다.

아다만탄-1-카르복실산을 적용한 소재는 적은 전자빔 노출량으로 설계 선폭 20나노미터(㎚·10억분의 1m)의 미세 패턴을 구현했다. 반면 디페닐포스핀산을 적용한 소재는 더 많은 전자빔이 필요했지만 회로 선의 가장자리가 더 매끄럽게 만들어졌다. 폭 50㎚ 선의 가장자리 거칠기는 1.02㎚로 측정됐다.

리간드의 성질별 주석 클러스터 핵수 조절과 미세 패턴 형성 과정. 같은 주석 원료에 전자를 끌어당기는 디페닐포스핀산을 리간드로 사용하면 주석 원자 3개가 모인 3-SnOC(위)가, 전자를 내주는 아다만탄-1-카르복실산을 사용하면 6개가 모인 6-SnOC(아래)가 만들어진다. 3-SnOC는 선의 가장자리를 매끈하게 만드는 특성이, 6-SnOC는 적은 전자빔 노출량으로 패턴을 만드는 감도가 우수하다. 오른쪽은 합성한 감광제에 전자빔을 쏴 나노미터 크기의 미세 패턴을 만드는 과정을 보여준다. (사진=UNIST)

이 같은 차이는 주석 원자들이 모이는 구조와 화학 반응 방식에서 비롯됐다. 아다만탄-1-카르복실산을 사용하면 주석 원자 6개가 모여 전자빔 에너지를 잘 흡수하고 리간드가 쉽게 떨어지면서 분자들이 빠르게 연결됐다.

디페닐포스핀산을 쓴 경우에는 주석 원자 3개가 모였고 리간드가 쉽게 분해되지 않아 분자들이 보다 천천히 균일하게 연결됐다. 연구팀은 이를 통해 리간드의 전자적 특성이 감광 반응과 최종 패턴 품질을 좌우한다는 점을 규명했다.

장지현 교수는 “이번 연구는 주석 함량뿐 아니라 리간드의 성질이 감도와 패턴 정밀도를 좌우한다는 점을 밝혔다”며 “공정 요구에 맞는 차세대 EUV 포토레지스트를 개발하는 설계 기준으로 활용될 것”이라고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단과 UNIST 연구기금, 정보통신기획평가원(IITP) 이노코어 사업의 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 나노·마이크로 분야 국제학술지 ‘스몰(Small)’에 지난달 25일 온라인 공개됐으며 후면 표지 논문으로도 선정됐다.