어플라이드머티리얼즈 “반도체 미세공정, AI로 결함 찾는다”

“반도체 회로가 미세해지고 구조가 복잡해질수록 더 많은 검사가 필요합니다. 하지만 장비의 한계와 검사비용의 증가로 인해 검사를 충분히 진행하지 못하는 모순적인 상황에 놓여 있었습니다. 어플라이드머티리얼즈는 기존 검사 장비에 AI 알고리즘을 도입해 두 가지 문제를 모두 해결했습니다.”

이석우 어플라이드머티리얼즈코리아 전무는 20일 기자간담회에서 이 같이 말했다. 미국 반도체 장비 생산기업 어플라이드머티리얼즈가 AI 알고리즘이 적용된 반도체 결함 파악 장비를 공개했다. 기존의 결함 분석 기능에 수율에 영향을 미치는 데이터를 파악할 수 있는 AI 알고리즘이 적용돼 파악 능력을 높였다는 설명이다.

“나노공정 진행될수록 결함 찾기 어려워져”

현재 세계 파운드리 시장을 선점하고 있는 기업은 TSMC와 삼성전자다. 이들은 2020년 각각 52%, 17%의 시장점유율을 자랑하고 있다. 현재 이들이 주력하고 있는 분야는 나노 공정 기술이다. 회로를 미세하게 그릴수록 반도체의 성능과 생산을 높일 수 있기 때문이다.  TSMC는 지난 3월 3나노 시험생산을 진행했으며, 삼성전자는 올해 하반기에 2, 3세대 5나노 반도체를 양산할 계획이라고 밝힌 바 있다. 여기에 같은 웨이퍼 면적에 더 많은 회로를 그리기 위해 2D 에서 3D 방식으로 반도체 구조를 변경해 생산하면서, 구조도 복잡해지고 있다.

미세공정으로 생산된 반도체는 미세한 회로와 복잡한 구조를 가지게 된다. 이 과정에서 품질관리는 려워진다. 이석우 전무는 이와 관련해 “나노 공정이 개발되면서 회로가 미세해졌는데, 미세 공정에서는 작은 패턴 변화에도 반도체 수율(결함 없는 제품 생산 비율)이 크게 영향을 받는다”며 “게다가 2D에서 3D로 반도체 구조가 복잡해지면서, 결함을 찾아내는 것도 어려운 상황”이라고 말했다. 생산성과 수율을 높이기 위해 미세공정을 도입했는데, 오히려 악영향을 받을 수도 있다는 것이다.

이를 해결하기 위해 어플라이드머티리얼즈는 미세한 결함을 정확하게 발견하고 수율에 문제가 되는 요소를 빠르게 파악할 수 있도록 돕는 공정·제어 신제품을 개발했다. 이석우 전무에 따르면, 해당 제품은 반도체 결함을 세세하게 파악하고, 수율에 치명적인 영향을 미치는 결함(Killer Defect)를 명확하게 파악해내고, 생산자가 제거할 수 있도록 도울 전망이다.

세세하게 파악하고, 명확하게 분석한다

신제품에는 ▲인라이트 시스템(Enlight System) ▲SEM비전 리뷰 시스템(SEM Vision Review System)이 탑재돼 있다. 인라이트 시스템은 반도체의 상태를 파악하는 역할을 하며, SEM 비전은 반도체의 결함을 분석하는 역할을 한다. 이 전무에 따르면, 인라이트 시스템을 이용하면 반도체의 결함을 세세하게 파악할 수 있다.

인라이트 시스템의 가장 큰 특징은 전무는 브라잇 필드(Bright Field)와 그레이 필드(Gray Field)를 모두 파악할 수 있다는 것이다. 브라잇 필드는 표면을 촬영했을 때 화면상으로 상태 파악이 가능한 부분을 말하며, 그레이 필드는 보이는 부분 외 입자 단위로 빛을 산란시켰을 때 파악되는 부분을 말한다. 이처럼 반도체를 다방면으로 스캔하고 결함을 확인하기 때문에, 세세한 분석이 가능하다.

이 전무는 “이 시스템은 5년 동안 개발이 됐는데, 2019년부터 판매돼 현재까지 4억달러(한화 약 4449억원)의 누적판매금액을 달성했다”며 “현재는 세계 주요 파운드리 고객사에 적용됐다”고 말했다.

인라이트 시스템에서 파악한 결함 데이터는 집중적인 전자 빔으로 물체를 분석하고 이를 토대로 수율을 높일 수 있도록 돕는 SEM 비전 리뷰 시스템으로 이동한다. SEM 비전 리뷰 시스템에는 어플라이드머티리얼즈가 자체 개발한 익스트랙트 AI(Extract AI) 기술이 탑재돼 있다. AI는 수율에 치명적인 영향을 미치는 결함(Killer Defect)를 명확하게 검출해 낸다. 이로써 사용자는 수율과 수익성을 향상시킬 수 있도록 공정 과정을 개선할 수 있다.

이 전무는 “인라이트 시스템과 SEM 비전 리뷰 시스템은 실시간으로 소통하기 때문에, 이 모든 결함 검출 및 분석 과정은 실시간으로 진행된다”며 “기기에서 입력된 데이터를 기반으로 분석하는 것이기 때문에, 각 기업 별 공정에 맞게 데이터 커스터마이징도 가능하다”고 말했다.

키스 웰스(Keith Wells) 어플라이드 머티어리얼즈 이미징 프로세스 컨트롤 제품군 부사장 겸 총괄매니저는 “어플라이드머티리얼즈는 업계 최고 수준의 광학 검사 및 전자빔 리뷰 기술을 결합함으로써 수율에 중요한 결함을 감지하고 분류함은 물론, 공정 변화를 실시간 학습하고 적응하는 인텔리전스를 갖춘 업계 유일한 솔루션을 구현했다”며 “반도체 제조사는 이 같은 고유 기능을 활용해 새로운 공정 노드를 더욱 빠르게 양산하고 공정 전반에 걸쳐 수율에 치명적인 결함을 안정적으로 검출할 수 있다”고 말했다.

한편, 어플라이드머티리얼즈의 공정·제어 신제품 가격은 공개되지 않았다. 다만 이석우 전무는 “우리가 출시한 장비는 3배 정도의 가격 효율성을 낼 수 있을 것”이라고 덧붙였다.

글. 바이라인네트워크

<배유미 기자> youme@byline.network