아주대·삼성전자, EUV 노광량 최대 23.7% 낮춘 하이브리드 소재 개발

반도체의 미세 회로를 그리는 데 필요한 빛의 양을 최대 23.7% 줄이면서도 패턴을 안정적으로 유지하는 새로운 소재가 개발됐다. 아주대학교 박성준 전자공학과·지능형반도체공학과 교수 연구팀은 삼성전자와 공동으로 극자외선(EUV) 리소그래피용 고성능 ‘하이브리드 포토레지스트(HPR)’를 개발했다고 밝혔다.

리소그래피는 웨이퍼 위에 빛을 비춰 회로 모양을 새기는 공정이다. 이때 포토레지스트는 빛에 반응해 원하는 부분만 남거나 제거되는 감광성 막으로, 사진을 인화할 때 쓰는 필름과 비슷한 역할을 한다. 연구팀이 활용한 EUV는 파장 13.5나노미터, 광자 에너지 약 92전자볼트의 빛을 사용한다. 나노미터는 10억분의 1미터다.

회로가 미세해질수록 포토레지스트 막도 수십나노미터 수준으로 얇아져야 패턴 붕괴를 막을 수 있다. 그러나 기존 유기계 화학증폭형 레지스트(CAR)는 막이 얇아지면 EUV를 흡수하는 능력과 식각 내성이 약해진다. 식각은 포토레지스트가 보호하지 않는 부분을 깎아 회로를 만드는 단계다. 적은 수의 광자가 불규칙하게 도달하면서 패턴의 균일성이 흔들리는 문제도 커진다.

금속산화물 레지스트는 EUV 흡수와 식각 성능이 우수하지만 저장 안정성과 분산 균일성, 기존 공정과의 호환성이 과제로 꼽힌다. 연구팀은 유기계 소재의 공정성과 무기계 소재의 내구성을 함께 얻기 위해 상용 주석(II) 2-에틸헥사노에이트 전구체를 기존 CAR에 직접 섞었다. 별도의 전구체 합성이나 증기 침투·증착 공정을 거치지 않는 단순 혼합 방식이다.

최적 조성의 HPR은 300mm, 즉 12인치 웨이퍼 EUV 공정에서 폭 21나노미터의 필러 패턴을 구현했다. dose-to-size는 목표한 크기의 패턴을 만드는 데 필요한 노광량을 뜻한다. 이 값은 기존 CAR보다 21나노미터 임계치수에서 16.4%, 27나노미터에서 23.7% 낮아졌다. 27나노미터 패턴에 필요한 노광량은 제곱센티미터당 35.4밀리줄에서 27.0밀리줄로 감소했다.

주석의 함량에 따라 빛에 반응하는 방식도 달라졌다. 고함량 주석은 노광으로 만들어진 카복실레이트와 배위결합해 현상액에 녹지 않는 그물망 구조를 형성했다. 이에 따라 빛을 받은 부분이 제거되는 포지티브톤 반응이 빛을 받은 부분을 남기는 네거티브톤 반응으로 전환됐다. 저함량 주석은 네거티브톤 현상에서 감도와 노광 뒤 남는 막의 비율을 높였다.

금속을 활용한 EUV 레지스트의 가능성은 앞선 연구에서도 제시됐다. imec·Inpria·도쿄일렉트론은 2016년 금속산화물 EUV 레지스트를 7나노미터 후공정 모듈에 통합해 21나노미터 필러를 구현했다. imec은 2025년 High-NA EUV 단일 노광과 네거티브톤 금속산화물 레지스트로 만든 20나노미터 피치 금속 배선에서 90%가 넘는 전기적 수율을 보고했다. High-NA EUV는 빛을 모으는 능력을 높여 더 미세한 패턴을 그리는 기술이다.

imec은 노광량을 웨이퍼 처리량과 EUV 비용을 좌우하는 핵심 변수로 설명한다. ASML도 EUV 장비의 처리량을 제곱센티미터당 30밀리줄 조건에서 제시한다. 이번 결과는 유기계와 무기계 소재의 장점을 복잡한 추가 공정 없이 결합하고, 목표 패턴을 형성하는 데 필요한 에너지를 낮췄다는 점에서 차세대 초미세 반도체 공정을 위한 소재 설계 방향을 보여준다.

이번 논문은 2026년 7월 22일 학술지 ‘Chemical Engineering Journal’에 온라인 공개됐으며 논문번호는 179809, DOI는 10.1016/j.cej.2026.179809이다. 아주대 이승현 학부생과 백석현 대학원생, 삼성전자 이홍준 박사가 공동 제1저자로 참여했다.

자료: 아주대학교, Chemical Engineering Journal(Elsevier), imec, ASML