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[과학TALK] “반도체 계측은 첨단 융합과학의 정수”…국산화 바람도 솔솔 – 조선비즈

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EUV·3D… MI 업계 난제에 대한 자이스(Zeiss)의 대처 < Business < 기사본문 - 파이브에코(FIVE ECOs)

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온양신문

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반도체 공정 – MI(Measurement & Inspection)

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MI (Measurement & Inspection)

#시작하며

반도체 제조공정이라고 하면, 8대 공정의 Photo, Etch, Diffusion, Thin Film과 같은 원재료를 통해 제품을 생산하는 공정을 떠올릴 수 있다. 하지만 해당 공정 이외에도, 제품을 만드는 것만큼 Defect를 검사하는 공정 역시 중요하다. 결함을 줄여 수율을 높이는 것은 수익과 직결되기 때문에, 불량을 최소화하고, 수율을 향상시키는 MI, 계측 및 검사 공정 과정의 중요성이 커지고 있다.

#MI (Measurement & Inspection)

현재 한국이 세계 시장을 지배하고 있는 메모리 반도체, 그 중에서도 압도적인 점유율을 자랑하는 D램은 미세공정 기술의 발전이 가속화되면서 난관을 겪고있다. 생산 과정에서 결함(Defect)를 발견하는 것이 점점 더 어려워지고, 이에따라 생산속도가 느려져, 수율 확보가 힘들어지게 되는 것이다. 수율은 생산성으로 직결되어 경쟁력을 좌우하기 때문에 매우 중요한 문제이다. 따라서 계속해서 MI(Measurement & Inspection)로 알려진 반도체 계측 기술의 중요성이 대두되고 있다. 반도체 핵심 공정 중 하나로 꼽히는 계측은, 생산 중인 반도체 소자의 물리적, 전기적 특성 목표가 제조 순서의 각 단계에서 제대로 충족되었는지 확인하는 공정을 말한다. 즉, 생산될 제품의 성능을 저해하거나 불량품이 될 상태를 미리 찾아내는 과정이다.

반도체 계측 장비 (출처. KLA텐코)

실제 반도체 계측 검사 시행 과정에서는, 광학, 소재, 시뮬레이션, 이미지 프로세싱, 로봇 컨트롤, 통계학, 시스템공학 등 방대한 분야의 첨단 기술이 총동원된다. 최대 규모의 반도체 회사들이 해당 분야에 많은 돈을 투자하고 있다.

현재 대기업에서는, 광학을 이용한 반도체 계측 및 검사 기술을 활용하고 있다. 빛은 파동의 성질을 가지는데, 해당 특성 때문에 빛의 회절이 일어나게 된다. 회절은 빛이 나아가는 도중에 틈이나 장애물을 만나면, 빛의 일부분이 슬릿이나 장애물 뒤편까지 돌아 들어가는 현상으로 파동의 특징이다. 반도체 계측은 이러한 빛의 회절을 활용하여 박막, 오버레이 및 웨이퍼 응력, 두께, 전도도, 성분 등의 계측을 수행한다. 여기에서 나온 데이터를 바탕으로 공정을 제어하고, 이슈가 발생할 경우 이를 해결하는 공정을 최적화하여 반도체 제품을 완성하는 것이다.

CD SEM – 박막의 형태를 측정 분석하는 장비

반도체 장비 제조가 단계 수의 증가와 함께 점점 더 복잡해짐에 따라 웨이퍼 검사 및 계량의 중요성도 높아지고 있다. SEM은, 주사전자현미경으로서, Scanning Electrone Microscope의 약자이다. 이는 sample의 표면을 전자 빔을 통해 스캔하여 이미지화 시키는 전자현미경의 일종이다. 고속의 전자를 발사하면 해당 전자가 시료 표면에 충돌하면서 상호작용하여 시료에서 전자와 같은 물질이 튀어나오게 되고, 이를 분석하는 방법이다.

해당 현미경은, 빛 대신 전자선을 사용하였고, 광학 현미경은 유리렌즈를 사용하는 것에 비해, 전자선은 유리를 통과하지 못하기 때문에 전자 렌즈를 사용한다. CD SEM은 재료의 피수 분석 뿐만아니라, nm(나노미터) 단위의 범위에서 치수를 측정하는데 사용된다. 일반적으로 저진공에서 작동하며, 진동 수준이 낮아야 하기 때문에 일반적으로 자기 부상식 터보 펌프 기술을 사용한다.

Surface Profiler – 박막의 두께 측정

출처. 한국기술교육대학원

Surface Profiler는, 웨이퍼 표면 위의 단차가 있는 박막의 두께 및 Step profile을 측정하기 위해 개발된 장비로서, 탐침(stylus)이 웨이퍼의 표면을 스캔하고 지나감으로써 표면 단자의 변화로 인해 발생하는 압력을 감지하여 해당 단차의 두께를 측정하는 장비이다.

Surface Profiler의 Operation Spec (출처. 한국기술교육대학원)

* 장비 사용방법

1. Lever를 조작하여 Stage를 몸쪽으로 움직인 후 Sample을 Load

2. Stage의 X, Y축을 조절하여 측정하려는 Point로 이동

3. Stylus를 내린 후 Monitor를 보며 Scan하고자 하는 부분을 정확히 조절 (Stylus를 내린 후 Sample과는 접촉 금지)

4. View/modify에서 Vertical units 및 Scan length, Scan speed, Sampling rate 등의 Recipe를 맞춰준다.

5. Start key를 눌러 측정한다.

#마치며

오늘은 반도체 공정 과정에서, 계측 및 검사를 진행하는 MI공정에 대해 공부하였다. 다음 포스팅에서는 반도체 TEST 공정에 대해 알아볼 것이다.

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반도체 계측 & 검사 MI 기술? <나노메트릭스코리아>

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사실 반도체 제조공정하면 주로 8대공정이 언급 되는데요. 저 또한 학교나 외부 교육시간에 반도체에 대해 배우면

8대 공정만 중점적으로 배웠던 기억이 납니다.

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하지만. 8대공정은 반도체의 많은 여러 제조 공정 중 한 부분이고, 나머지 또한 중요한 공정들이 많이 있답니다.

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그중! MI에 대해 설명해 보려 합니다.

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( MI는 Measurement & Inspection의 약자로 즉 계측 & 검사입니다.)

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먼저, 완벽한 반도체 하나를 만드는데 최대 무려 6개월 정도가 걸립니다. (지금은 더 줄었을 수 도..ㅎㅎ)

그래서 수율이 무지 중요한데, 만약 만드는 과정 중 무언가 진행이 잘 안된 상태를 감지하지 못하고 그대로 진행해 반도체를 생산했다??

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그러면 고품질의 반도체를 만들지 못해,.아주 큰일입니다…! (tsmc가 불과 3달 전 불량 웨이퍼를 생산해 난리가 났었죠…)

다시 만들려면 6개월이나 걸리고 무엇보다 손해액이 상당하니까요…

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EUV·3D… MI 업계 난제에 대한 자이스(Zeiss)의 대처

토마스 셰루블(Thomas Scherübl) 박사./자이스

반도체 계측검사(MI) 시장은 장벽은 높지만 규모는 크지 않다. 종류도 워낙 다양하고, 기반 기술 없인 시장에 나서기도 쉽지 않다. 이같은 특성 탓에 시장에 대기업이라곤 KLA와 자이스(Zeiss) 정도 뿐이고, 나머지 업체들은 강소기업으로 구성돼있다.

MI 기술의 중요성이 커지는 가운데 토마스 셰루블(Thomas Scherübl) 자이스 세미컨덕터 마스크 솔루션 사업부 및 Tuning 사업부, 전략 사업 개발 총괄을 인터뷰했다. KIPOST 2020년 5월 18일자 <반도체 제조사들이 가장 먼저 머신러닝(ML)을 적용하려는 곳은> 기사에 이어 문답 형식으로 인터뷰를 정리한다.

Q1. EUV 기술이 적용된지도 1년이 지났다. EUV 기술 도입 이전 업계가 골머리를 썩었던 건 스캐너가 아니라 재료와 계측검사(MI)였는데, 아직도 이 문제가 해소되지 않은 것 같다. 특히 MI 쪽은 하면 할수록 쉽지 않다는 얘기가 들려오고 있다. 이유가 무엇인가? A1. MI는 EUV에서 더욱 어려워지고 있으며, 특히 마스크 MI의 경우 더 그렇다. 자이스 세미컨덕터 마스크 솔루션(SMS)은 마스크 측정 및 수리 시스템의 주요 공급 업체이므로 이와 관련된 부분을 중심으로 얘기하겠다. 먼저 결함 및 피처 크기가 작아짐에 따라 기술적 과제들이 생겨나고 있고, 여기에는 마스크 측정 시스템의 높은 해상도와 반복성이 요구된다. 또 스루-펠리클(thru-pellicle) 측정 및 EUV 위상 효과와 같은 요구사항들 때문에 화학선(actinic) 측정 시스템의 필요성이 더욱 대두되고 있다. EUV 조명을 사용하는 액티닉 시스템은 개발에 많은 투자가 필요하다. 마스크 사업은 시장 규모가 작기 때문에 모든 공급 업체들이 신중하게 사업 사례를 분석한다. 그러나 최근 몇 년간 이 분야에서 많은 진전이 있었다. 자이스는 최초의 액티닉 마스크 측정 시스템인 AIMS(Aerial Imaging Measurement System) EUV를 시장에 선보였다. AIMS EUV는 스캐너 에뮬레이터로 작동하며, 가격도 비싸고 시간이 많이 소모되는 웨이퍼 인쇄없이 결함과 마스크 인쇄 성능을 분석할 수 있다. 이와 관련해 레이저텍(Lasertec)이 최근에 APMI(Actinic Patterned Mask Inspection System)에 대한 결과를 발표한 바 있다. 앞으로 EUV가 점점 더 급증함에 따라 MI 시스템이 대량생산을 지원할 수 있을 것으로 생각한다.

Q2. EUV 마스크 쪽에서도 MI 이슈가 있는 것 같다. 기존 DUV용 마스크는 투과형인 반면 EUV마스크는 반사형이고 구성도 달라 MI 방식도 바뀌었을 것 같은데, 어떻게 바뀌었나? A2. 업계에서 발표된 여러 논문을 살펴보면, 마스크의 반사 특성으로 인해 소위 마스크 3D 및 위상 효과가 DUV에 비해 EUV에서 훨씬 더 큰 영향을 미친다.(중요한 역할을 한다) 이러한 현상은 EUV 조명을 사용한 마스크에서만 측정할 수 있으므로 AIMS와 같은 액티닉 마스크 측정이나 APMI와 같은 검사는 EUV 마스크 제작에 있어 필수적이다.

Q3. 위 질문과 관련해 초기에는 ASML이 자이스의 AIMS를 채택하라고 제조사에게 권고했다고 들었다. AIMS는 스캐너 안에 모듈 형태로 들어가는 것인가? ASML이 EUV 스캐너에 장착한 자체 MI 모듈와 AIMS는 어떤 차이점이 있나? A3. AIMS 시스템은 독립형 시스템으로 DUV에 사용됐으며 약 25년 동안 사실상 업계 표준으로 자리잡아왔다. 이 시스템은 스캐너 조건에 따른 마스크를 검증하기 위해 마스크 제조 업체(마스크 샵)에서 이용되는데, 이를 ‘스캐너 에뮬레이션’이라고 부른다. AIMS는 스캐너와 동일한 파장, 조명 및 개구수(NA)를 사용하지만, 마스크를 웨이퍼상에 축소하는 대신 전하결합소자(CCD) 카메라에서 마스크의 일부를 확대한다. 그러면 카메라는 스캐너가 웨이퍼에서 보는 것과 같은 방식으로 영역 이미지(aerial image)를 보게 된다. 이 방법을 사용하면 스캐너가 보는 것과 같은 방식으로 마스크 결함, 결함 복구 또는 마스크 CD 균일성을 분석할 수 있다. 비용과 시간이 많이 소요되는 웨이퍼 인쇄 작업도 필요 없다. 이는 일반적으로 스캐너에 액세스 할 수 없는 마스크 공급자에게 중요하다. AIMS 시스템은 ASML 내부의 자체 MI 모듈과 제조상 완전히 다른 목표를 가지고 있다. 스캐너 내에서의 측정(ASML의 MI 모듈)은 웨이퍼 제조 과정에서 우수한 웨이퍼 결과를 보장하기 위해 사용되는 반면, AIMS는 마스크 샵이 고비용의 웨이퍼 인쇄를 하지않고도 스캐너를 에뮬레이션하고 완벽한 마스크를 생산할 수 있도록 한다.

Q4. 13.5나노(EUV) 기반 MI 기술과 193나노 광원에서 명암비를 높인 MI 기술 중 어느 쪽이 더 뛰어난 성능을 가질 수 있을까? 광학식의 경우, 노광장비의 광원에 따라서 쫓아서 쓰는 경우가 많은데, EUV MI는 13,5나노로 내려가야 한다는 주장이 있고, 193 나노에서 명암비를 높여서 충분히 성능을 낼 수 있다고 하는 두가지 의견으로 나뉜다. 그런데 명암비를 조금만 높여도 어느 정도 크기 이하는 안보일 수도 있고, 어떠한 것은 오히려 선명할 수도 있다고 들었다. 두 방식 중 어떠한 기술이 더 현실적이고 성능면에서 나은가. A4. 측정 및 검사에 EUV 파장을 사용하면 두 가지 장점이 있다. 첫째, 파장이 작을수록 해상도가 높아진다(‘NA(numerical aperture)’라는 파라미터가 동일할 경우). 또 다른 측면은, 마스크 상에 발생하는 효과들은 오직 EUV 또는 스캐너 파장에서만 볼 수 있다는 것이다.

Q5. 내년부터 D램에도 본격적으로 EUV가 채택되기 시작한다. 메모리 제조사로부터 MI 장비에 대한 수요가 있나? A5. 마스크 검사외에 전체 웨이퍼 제조 시장을 보면, 자이스는 3D 구조용 MI 솔루션을 제공하기 위한 X-ray, 전자 및 이온 빔 기술도 개발하고 있다. 3D 구조는 FEOL(Front end of line) 및 BEOL(back end of line) 웨이퍼 팹과 패키징 애플리케이션 분야 모두에서 증가 추세다. 예를 들면, FEOL에서 자이스의 이온빔 기반 현미경 검사 솔루션은 나노미터(nm)급의 최첨단 3D-NAND 메모리 아키텍처를 3D로 특성화 하는데 도움을 준다. 홀 직경, 타원율, 보잉·벤딩(bowing/bending) 및 각 채널의 전체 길이를 따라 기울어진 정도 등 기존 2D 횡단면을 통해 얻을 수 있는 것 이상의 기능들을 제공한다. 자이스의 멀티빔 주사전자현미경(SEM) 기술은 높은 처리량 검사 기능도 제공한다. 또 불량 분석 및 공정 특성화를 위한 자이스 3D 엑스레이 현미경이 D램 및 고대역폭메모리(HBM) 패키지의 중요한 기능으로 부상하고 있다.

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