새로운 포토레지스트 연구 결과가 중요한 이유
중국 연구진은 칩 리소그래피에 사용되는 액체 박막에서 포토레지스트 분자가 어떻게 움직이는지 직접 관찰한 뒤, 이 연구 결과를 결함을 크게 줄이는 공정 현장용 해법으로 발전시켰다고 밝혔다. 베이징대 연구팀이 산업계 파트너들과 함께 수행한 이 연구는 2025년 9월 30일 네이처 커뮤니케이션스에 게재됐다. 연구팀은 실제 제조 조건에서 12인치 웨이퍼의 고분자 잔류물을 최대 99% 줄였다고 보고했다. 이는 7nm 이하 공정 노드의 수율을 높일 수 있는 변화다.
목차
포토레지스트는 실리콘 웨이퍼 위에 트랜지스터와 배선 패턴을 형성하는 감광성 코팅이다. 포토리소그래피 과정에서 노광 장비가 회로 이미지를 레지스트에 투사한다. 노광된 영역은 용해도가 바뀌고, 이후 현상과 세척을 거쳐 패턴이 드러난다. 미세한 잔류물이나 찌꺼기가 남으면 배선이 단락되거나 접점이 끊어지고, 후속 공정에서 불량이 발생할 수 있다. 배선 폭이 좁고 간격이 촘촘한 첨단 공정에서는 분자가 몇 개만 잘못된 위치에 있어도 다이 하나가 불량이 될 수 있다.
중국은 특히 고급 포토레지스트를 수입에 크게 의존한다. 이러한 의존성은 중국 내 팹들이 최첨단 공정에서 수율을 끌어올리는 데 어려움을 겪어온 이유 중 하나다. ASML의 최첨단 극자외선 노광 장비가 2019년부터 중국 시장에 들어오지 못하면서, 중국 반도체 업체들은 여러 차례 심자외선 패터닝을 거쳐 7nm급 패턴을 구현해 왔다. 이 방식은 웨이퍼가 수십 단계에 걸쳐 더 많은 노광과 현상, 습식 세척을 거치기 때문에 레지스트의 역할을 더 크게 만든다. 무작위 결함이 줄어들면 웨이퍼 한 장에서 정상 작동하는 칩이 늘어난다.
연구진은 구체적으로 무엇을 했나
베이징대 연구팀은 고분자가 본래의 액체 환경에 있는 상태에서 포토레지스트 박막에 극저온 전자 단층촬영법을 적용했다. 이 영상 기법은 얇은 시료를 매우 빠르게 냉동해 분자를 제자리에 고정한 뒤, 투과전자현미경으로 기울어진 각도에서 연속 촬영한다. 소프트웨어는 이 이미지를 나노미터급 해상도의 3차원 지도로 재구성한다. 연구진은 이 방법으로 현상 및 린스 과정에서 레지스트 고분자가 박막 내부와 기체·액체 계면에 어떻게 배열되고 얽히는지 시각화했다.
이 이미지와 공정 실험을 함께 분석한 결과, 연구진은 잔류물의 숨은 원인을 찾아냈다. 긴 고분자 사슬이 계면 부근 박막 상단에서 서로 얽힌 뒤, 린스와 건조 과정에서 패턴의 오목한 부분에 갇힐 수 있다는 것이다. 연구팀은 지도를 바탕으로 계면에서 고분자 얽힘을 억제하는 공정 절차를 고안했다. 산업 환경에서 12인치 웨이퍼에 적용한 결과, 잔류물과 관련된 결함을 거의 모두 없앴다고 밝혔다.
생물학에서 반도체 제조까지, 극저온 전자 단층촬영이란
극저온 전자 단층촬영은 흔히 극저온 ET로 줄여 부르며, 단백질과 세포를 본래 형태 그대로 관찰하기 위해 구조생물학 분야에서 발전했다. 시료를 유리화한다는 것은 물과 용매를 결정이 생기지 않는 유리 같은 상태로 얼려 구조가 손상되지 않도록 하는 것을 뜻한다. 그런 다음 기울기를 달리해 촬영한 전자현미경 이미지들을 3차원 부피 영상으로 재구성한다. 분자를 건조하거나 염색하는 대신 제자리에 보존한다는 것이 핵심 장점이다. 건조나 염색은 취약한 구조를 움직이거나 손상시킬 수 있다. 극저온 ET를 반도체 소재에 적용하면 연구진은 용액 속에서 끊임없이 움직이고 재배열되는 고분자를 관찰해, 결함을 일으키는 네트워크가 형성되는 순간을 포착할 수 있다.
고분자 얽힘이 결함을 일으키는 이유
현상 과정에서 노광된 레지스트 영역은 녹아 없어지고, 노광되지 않은 영역은 아래 박막을 보호하기 위해 남는다. 두 영역을 함께 가로지르는 고분자 사슬이 얽혀 있으면 현상 후 얇은 막이 남을 수 있는데, 이를 흔히 스컴 결함이라고 한다. 트렌치나 콘택트 홀에서는 고분자 덩어리가 끼어 린스로 제거되지 않을 수 있으며, 이 잔류물은 이후 식각이나 금속 증착을 방해한다. 이는 대표적인 수율 저하 요인이다. 배선 가장자리 거칠기를 키우고, 배선 사이에 미세한 다리를 형성하며, 재작업을 초래한다. 영향을 받는 패턴이 너무 많으면 웨이퍼를 폐기해야 한다. 패턴 크기가 작을수록 문제는 심각해진다. 몇 나노미터의 추가 물질만으로도 간격이 막히거나 임계 치수가 달라질 수 있기 때문이다.
첨단 공정의 생산 수율을 어떻게 바꿀 수 있나
수율은 웨이퍼에 패터닝된 전체 다이 가운데 팹 공정을 마치고 양품으로 나오는 칩의 비율이다. 7nm 이하에서 최신 시스템온칩에는 수백억 개의 트랜지스터가 들어갈 수 있으며, 수백 단계의 공정이 필요하다. 무작위 결함은 빠르게 누적된다. 레지스트 조정으로 여러 층에서 흔히 발생하는 잔류물 원인을 제거하면 공정 전체에서 효과가 배가될 수 있다. 최종 수율을 몇 퍼센트포인트 높일 수 있으며, 파운드리 경제성 측면에서는 양품 다이당 비용을 크게 낮추는 개선이다.
레지스트의 거동은 노광과 현상에만 영향을 주지 않는다. 식각 선택비, 플라스마 손상, 습식 세척도 고분자 네트워크가 어떻게 형성되고 분해되는지에 좌우된다. 연구팀은 리소그래피에서 잔류물을 줄이는 동일한 계면 제어가 식각과 세척 단계로 이어지는 결함도 줄인다고 밝혔다. 이는 임계 치수와 배선 거칠기를 안정시키고, 결과적으로 소자의 편차와 성능을 개선할 수 있다.
재작업 감소, 웨이퍼당 양품 다이 증가
파운드리들은 수율을 살리기 위해 웨이퍼를 세척이나 수리 공정에 다시 투입하는 경우가 많다. 공정을 한 번 더 거칠 때마다 시간과 비용, 위험이 늘어난다. 잔류물이 99% 줄면 추가 공정의 필요성도 낮아진다. 장비 가동 여력이 늘고, 공정 시간이 짧아지며, 화학물질 사용량도 줄어든다. 고객 입장에서는 잠복 결함이 줄어 초기 신뢰성 검사와 실제 사용 단계에서 신뢰성이 높아진다. 칩 설계자는 배선 폭과 접점의 분포가 좁아져 타이밍과 전력 소모를 더 정확히 예측할 수 있다.
중국의 반도체 전략에서 이 연구의 위치
소재와 리소그래피는 외국 공급업체에 대한 의존도를 낮추려는 중국의 노력에서 핵심 분야다. 포토레지스트는 분명한 취약점이다. 중국 업체들은 KrF 및 ArF 장비용 중급 제품에서 진전을 이뤘지만, 고급 제품 시장은 여전히 일본과 미국, 한국 기업이 주도하고 있다. 업계 추산에 따르면 중국 포토레지스트 시장 규모는 2024년 약 114억 위안이며, 2025년에도 성장세가 이어질 전망이다. 지난해 세계 포토레지스트 수요 규모는 약 27억 달러로 평가됐으며, 층수 증가와 설계 규칙 축소에 힘입어 2031년에는 45억 달러에 이를 수 있다.
정책 당국은 국가집적회로산업투자기금의 최근 투자 라운드에서 소재를 주요 지원 분야로 삼았다. 애널리스트들에 따르면 3기 기금에는 화학물질과 레지스트, 관련 공정에 500억 위안 이상이 배정됐으며 장비와 설비 투자도 포함됐다. 공통 규격을 마련하는 일도 이러한 정책의 일부다. 중국 국가표준화관리위원회는 극자외선 포토레지스트의 국가 시험 규격을 발표했다. 공통 시험 방법은 대학과 기업이 결과를 비교하고, 공급업체를 인증하며, 시범 생산을 준비하는 데 도움이 된다.
대학과 기업의 신소재 개발
중국 대학과 스타트업들도 극자외선 시대에 맞는 새로운 화학 소재를 개발하고 있다. 칭화대 연구팀은 7월 텔루륨 원자를 고분자 주사슬에 넣어 13.5nm 파장의 빛 흡수를 높인 폴리텔루옥산 레지스트를 발표했다. Te-O 결합은 노광 시 더 쉽게 끊어져 감도를 높일 수 있으며, 분자량을 낮게 유지해 해상도를 개선하는 데도 도움이 된다. 이 소재가 양산 규모로 확대되면 감도와 배선 거칠기, 가스 방출 사이의 균형을 개선한 극자외선 패터닝의 중국산 대안이 될 수 있다.
기업 부문에서는 SiCarrier의 소재 계열사가 금속 클러스터 레지스트를 선보였다. 특허 문서에 따르면 이 제품은 산화주석 클러스터를 기반으로 하며, 3nm에서 50nm까지 패터닝이 가능하다고 주장한다. 파운드리 공정에서 독립적인 검증이 필요하지만, 이는 더 광범위한 흐름을 보여준다. 장비 제조사들이 국내 리소그래피 선택지를 확대하는 가운데 중국 기업들도 레지스트 경쟁에 뛰어들고 있다. 상하이마이크로일렉트로닉스이큅먼트의 신설 분사 기업은 화합물 반도체용 스테퍼와 레이저 어닐링 시스템, 검사 장비를 공개했다. 중국은 여전히 ASML의 첨단 극자외선 노광 장비를 이용할 수 없지만, 소재와 계측, 설계 소프트웨어 분야의 공백을 메우려는 생태계가 형성되고 있다.
이번 돌파구가 의미하는 것과 의미하지 않는 것
베이징대 연구 결과는 현상과 린스 과정에서 액체 박막 속 레지스트 고분자와 공기 계면이 보이는 거동이라는 매우 구체적인 문제를 다룬다. 해당 구조를 직접 영상화하고 형성 방식을 바꿈으로써, 연구팀은 흔한 오염 원인을 줄일 방법을 제시했다. 이는 공정 조정에 걸리는 시간을 단축하고 시행착오를 줄인다는 점에서 가치가 있다. 두 가지 모두 팹이 새 공정 노드를 도입할 때 만성적인 지연 요인이다.
이번 연구가 가장 미세한 패턴을 구현하는 데 필요한 최첨단 노광 장비와 마스크, 레지스트를 대체하는 것은 아니다. 극자외선 리소그래피에는 잔류물 외에도 여러 과제가 있다. 광원의 밝기가 제한적이고, 샷 노이즈는 배선 가장자리에 무작위 편차를 일으키며, 레지스트는 감도와 배선 거칠기, 패턴 붕괴 사이에서 균형을 맞춰야 한다. 마스크에는 고에너지 빛을 견딜 펠리클이 필요하고, 오염 관리도 까다롭다. 계면 제어가 도움이 되겠지만 중국 팹은 여전히 구매하고 자체 개발할 수 있는 장비에 제약을 받는다.
연구진의 주장도 폭넓은 검증이 필요하다. 한 가지 환경에서 측정한 99% 감소가 모든 레지스트나 모든 층에 적용된다고 볼 수는 없다. 패턴 밀도와 현상액, 린스, 식각 화학물질은 서로 복잡하게 상호작용한다. 다음 단계는 여러 팹과 공정에서 결과를 재현하고, 잔류물 감소가 최종 수율과 신뢰성 향상으로 이어진다는 소자 수준 데이터를 확보하는 것이다.
연구와 산업의 다음 단계
이번 진전이 실제 생산 현장을 바꾸는지 판단하려면 몇 가지 이정표를 확인해야 한다. 첫째, 독립적인 팹과 소재 공급업체가 일반적인 ArF 액침 및 건식 극자외선 공정 스택에서 이 공정 절차를 시험하고 공정 윈도우를 공개할 수 있다. 둘째, 파운드리는 핵심 층에 이 방법을 적용했을 때 재작업이 얼마나 줄고 배선 가장자리 거칠기와 임계 치수 편차가 어떻게 개선되는지 발표할 수 있다. 셋째, 장비 및 화학 소재 업체는 대규모 변경 없이 고객이 도입할 수 있도록 계면 제어를 턴키 레시피에 반영하는 장비 설정과 조성물을 제안할 수 있다.
중국의 정책 기조는 포토레지스트 소재에 대한 지속적인 투자를 시사한다. 극자외선 레지스트 국가 시험 규격은 성능 비교와 제품 로트 인증을 쉽게 해줄 것으로 보인다. 텔루륨 기반 고분자를 연구하는 칭화대 등 대학 프로그램은 인력 양성을 이어가고 있다. 기업들은 공개 행사에서 노광 장비와 검사 시스템, 신형 레지스트를 함께 선보이기 시작했으며, 이는 추가 시범 생산이 이어질 가능성을 시사한다. 중국 외에도 미국과 유럽, 일본, 한국 정부가 지원하는 프로그램들이 반도체 연구에 수십억 달러를 투입하고 있다. 각 지역이 소재 공급망에서 더 큰 통제력을 확보하려 하면서 포토레지스트 연구 경쟁은 더욱 치열해질 전망이다.
핵심 내용
- 베이징대와 협력 기관들은 극저온 전자 단층촬영으로 액체 박막과 계면의 포토레지스트 분자를 영상화한 뒤, 12인치 웨이퍼에서 고분자 잔류물을 최대 99% 줄였다고 연구팀이 밝힌 공정을 고안했다.
- 이 연구는 2025년 9월 30일 네이처 커뮤니케이션스에 게재됐으며, 미세한 잔류물도 다이를 불량으로 만들 수 있는 7nm 이하 공정 노드의 수율 저하를 겨냥한다.
- 중국은 고급 포토레지스트를 계속 수입에 의존하고 있으며, 수출 통제로 인해 ASML의 첨단 극자외선 노광 장비를 이용할 수 없다.
- 중국은 투자와 표준 제정으로 소재 산업을 지원하고 있으며, 여기에는 극자외선 포토레지스트의 신규 국가 시험 규격도 포함된다.
- 칭화대는 텔루륨 기반 극자외선 레지스트를 발표했고, 중국 기업들은 금속 클러스터 레지스트와 국산 리소그래피 장비를 선보였다. 다만 여러 주장은 독립적인 검증이 필요하다.
- 이번 돌파구는 레지스트 계면 거동에 대한 이해와 제어를 개선하지만, 첨단 노광 장비와 마스크, 차세대 레지스트의 필요성을 없애지는 않는다.
