반도체 미세 결함 잡기 위해 어플라이드가 선보인 ‘이것’

TSMC, 삼성전자 등 반도체 위탁생산(파운드리) 기업이 3나노미터 회로폭의 반도체를 생산하고 있다. 회로가 미세해지면 그만큼 같은 넓이의 칩에 더 많은 반도체 소자를 배치할 수 있어, 성능이 향상된다. 주요 반도체 생산업체가 미세공정에 사활을 걸고 있는 이유다.

하지만 반도체 회로폭이 미세해지면 수율이 낮아질 수밖에 없다. 회로가 워낙 얇다 보니 약간의 충격만 가해져도 금방 결함이 발생한다. 또한 회로폭이 워낙 얇다 보니 아무리 눈에 보이지 않는 작은 불순물이라 해도 구조에 영향을 미칠 수 있다. 결국 불량률을 줄이기 위해서는 미세한 결함까지 정확하게 측정할 수 있는 장비가 필요하다.

이 같은 문제를 해결하기 위해 미국 반도체 장비 제조업체 어플라이드머티어리얼즈(어플라이드)이하 는 나노 단위 결함 검사가 가능한 냉전계 방출(Cold Field Emission, 이하 CFE) 전자빔(eBeam) 기술을 상용화했다. 회사는 CFE 기술을 적용한 전자빔 계측 시스템 셈 비전 G10(SEM Vision G10)과 고성능을 구현하는 프라임비전 10(Prime Vision 10) 2종을 선보였다.

이와 관련해 어플라이드는 13일 삼성 코엑스에서 기자간담회를 개최했다. 발표를 진행한 이석우 어플라이드 이미지 및 공정제어 제품 기술 구매 총괄은 신기술이 반도체에 존재하는 미세한 결함을 파악하고 불량률을 줄이는 데 역할을 할 것이라는 점을 강조했다.

반도체를 계측하는 방식은 크게 두 가지가 있다. 하나는 빛을 웨이퍼에 조사해 표면과 내부 정보를 파악하는 옵틱 방식이고, 또 하나는 전자빔을 웨이퍼에 쏴서 반사되는 전자를 통해 검사하는 전자빔 방식이 있다. 전자빔 방식의 경우 한 번에 방출하는 전자가 많을수록 분해능이 높아진다.

옵틱 방식을 사용하면 넓은 범주를 빠르게 파악할 수 있다. 한 번에 100나노미터 정도의 넓이를 파악할 수 있는데, 최근 반도체 위탁생산(파운드리) 기업이 10나노 이하의 미세 공정을 도입한다는 점을 감안하면 넓은 범위임을 알 수 있다. 하지만 빛이 퍼지기 때문에 미세한 결함을 파악하는 데에는 어려움이 있다.

반면 전자빔 방식을 도입하면 빠른 스캔은 어렵지만, 1.5나노 수준의 미세한 스캔이 가능하다. 10나노 이하의 미세 공정이 도입된 반도체에 발생한 작은 결함도 파악할 수 있다.

특히 반도체 회로가 미세해지고 구조가 정교해질수록 전자빔 방식의 중요성은 커진다. 10나노 이하 공정을 적용한 반도체가 확대되고 있는데, 이러한 미세한 패턴을 파악하기 위해서는 전자빔 장비를 필수로 도입해야 하는 것이다.

이석우 총괄은 “옵틱 방식만으로는 미세한 결함을 파악하기 어려운데, 이는 수율에 큰 영향을 미친다”며 “과거에는 결함 여부를 모든 공정을 다 끝낸 후 테스트를 진행한 후에야 알 수 있었지만, 전자빔 장비를 사용하면 이미징 단계에서 바로 결함 여부를 파악할 수 있어 생산 기간을 줄일 수 있다”고 말했다.

어플라이드가 이번에 선보인 기술은 CFE다. 그간 전자빔 시스템은 1500도 이상의 고온에서 작동되는 고온전계 방출형(Thermal Field Emission, TFE)이 주로 사용됐다. 여기에서 전자빔의 폭을 줄이면서 더 많은 전자를 방출하기 위해서는 시스템 온도를 낮춰야 한다.시스템 온도가 낮을수록 전자가 주변으로 퍼지는 정도가 덜하기 때문이다. 다시 말해 CFE를 도입하면 더 미세하고 정확한 지점에 전자를 더 많이 방출할 수 있고, 이는 결국 분해능을 향상시킨다.

그간 CFE가 상용화되기 어려웠던 가장 큰 이유는 불순물 때문이었다. 온도가 낮을 경우 대기 중에 존재하는 작은 불순물은 전자빔이 방출되는 팁에 더 쉽게 붙게 되고, 정확한 계측을 하는 데 어려움이 생긴다.

어플라이드는 CFE 상용화를 위해 전자빔 방출기 등 기술이 도입된 초고진공 전자빔 솔루션을 개발했다. 솔루션에는 극도의 초고진공 운영 환경에서도 오염 물질을 낮추는 특수 개발 챔버 소재가 포함돼 있다. 특수 펌프를 도입해 초진공 상태를 유지하도록 해 우주와 비슷한 진공 상태를 구현한다는 것이 이 총괄 측 설명이다.

회사 측은 이번에 상용화한 CFE 기술을 ▲셈 비전 G10 ▲프라임비전 10, 결합 검출 시스템 두 장비에 도입했다. 셈 비전 G10은 이전 세대 제품 대비 3배 빠른 이미징 작업을 구현했다. 프라임비전 10 결합 검출 시스템은 이번에 새롭게 전자빔 포트폴리오에 합류한 제품인데, 웨이퍼 표면의 미세한 결함과 3D 구조로 적층된 반도체 내부를 나노 단위로 파악할 수 있다. TFE 기반 전자빔 계측 시스템 대비 최대 10배 빠른 속도로 고분해능 이미지를 생성할 수 있다.

어플라이드는 전자빔 장비 시장에서 경쟁력을 가지고 있는 만큼, 이후에도 관련 기술을 지속해서 개발해 나갈 예정이다. 시장조사업체 테크인사이트에 따르면, 어플라이드는 2021년 기준 전자빔 장비 부문에서 1억8200만달러(약 2326억8700만원)의 매출을 달성해 시장점유율 기준 1위(50%)를 차지했다. 이어서 히타치, ASML, KLA가 각각 2~4위를 기록했다.

글. 바이라인네트워크
<배유미 기자>youme@byline.network