어플라이드, 차세대 계측 장비 공개…“GAA·3D 낸드 수율 높인다”

“극자외선(EUV) 및 하이NA 노광장비 사용이 늘어나고 7나노 이하의 미세 공정이 도입되면서 디바이스 소자 패턴 거리측정이 점점 어려워지고 있다. 이렇게 얇고 미세한 패턴을 계측하기 위해서는 고분해능 이미징이 가능한 장비가 필요하다. 어플라이드머티어리얼즈(이하 어플라이드)는 해당 시장의 성장을 예상해 미세 패턴 계측이 가능한 장비를 출시했다.”

이석우 어플라이드 이미징 및 프로세스 제어(IPC) 기술 총괄은 24일 진행한 전자빔 계측 시스템 신제품 ‘베리티 SEM 10’ 출시 간담회에서 이 같이 말했다. 회사가 공개한 신제품은 극자외선(EUV) 노광장비나 차세대 EUV 장비 ‘하이NA’로 그려진 미세 패턴 거리를 정밀하게 측정한다.

모든 반도체는 심자외선(DUV) 및 EUV 등 노광장비를 통해 마스크에 빛을 통과시켜 포토레지스트에 패턴을 형성하는 방식으로 만들어진다. 계측 시스템은 이 때 새겨진 회로가 어긋나지는 않았는지, 합선되지는 않았는지 등 문제 요소를 파악할 때 사용한다. 계측 과정을 통해 엔지니어는 웨이퍼를 본격적으로 깎기(식각) 전 정확성을 보장할 수 있다.

이는 반도체가 고성능·고집적화할수록 더욱 중요해진다. 반도체 성능을 높이기 위해 제조업체는 회로를 미세하게 배치하는데, 회로가 나노 단위로 미세해지면 약간의 결함과 오차에도 불량이 쉽게 발생한다. 그만큼 패턴도 더욱 정확하게 계측할 수 있어야 한다. 이에 대응하기 위해 업계는 전자빔을 사용한 주사전자현미경(SEM)을 도입하기 시작했다.

하지만 회로가 3나노 단위까지 미세해지면서 이 또한 한계에 봉착했다. 일반 SEM은 DUV 장비를 적용한 7나노 이상의 반도체는 선명하게 계측하는 반면, EUV 등 초미세 공정을 도입한 회로를 명확하게 파악하지 못한다. 이를 명확하게 측정하기 위해서는 더 높은 분해능(물체를 뚜렷하게 구별할 수 있는 성능)을 가진 계측 장비가 필요했다.

통상 SEM은 빔으로 쏜 가 높을수록 해상도가 좋아진다. 하지만 랜딩에너지가 높으면 공정 포토레지스트가 수축하면서 왜곡된다. 따라서 포토레지스트에만 조사하는 낮은 랜딩 에너지를 이용해야 하는데, 이렇게 되면 해상도 한계로 고분해능 이미지를 생성할 수 없다.

어플라이드는 베리티 SEM 10에 낮은 랜딩 에너지로도 기존 CD-SEM 대비 2배 가량 높은 분해능을 가질 수 있도록 자체 아키텍처를 도입했다. 이로써 미세 패턴도 구별할 수 있을 정도로 해상도를 높였다. 이로써 미세 패턴도 왜곡 없이 정밀하게 파악할 수 있다는 것이 이 총괄의 설명이다.

이석우 총괄은 “해당 제품은 30% 빠른 스캔 속도로 포토레지스트와 상호작용을 축소하고 처리량을 높인다”면서 “EUV, 하이NA EUV 리소그래피 및 식각 공정에 대한 제어력을 높여줘 반도체 제조사들은 공정 개발을 가속화하고 대량 생산 수율을 극대화할 수 있다”고 말했다.

어플라이드에 따르면, 베리티 SEM 10은 3나노 공정에 적용되는 차세대 트랜지스터 구조 게이트올어라운드(GAA) 구조의 트랜지스터나 낸드플래시 메모리 등 3D 디자인 패턴거리 측정이 가능하다. 특히 다층을 쌓아 만드는 3D 낸드 메모리의 경우 어플라이드의 신제품을 사용하면 더 수월하게 구조를 계측하고 식각 공정에 돌입할 수 있다.

어플라이드는 베리티 SEM 10 수요가 꾸준히 증가할 것이라고 기대한다. 국내 기업과의 협력도 활발하다. 올해 2월 회사와 SK하이닉스는 미국에서 열린 국제광공학회(SPIE)에서 차세대 SEM 계측장비 관련 논문을 제출하기도 했다.

이 총괄은 “회사가 집계한 바에 따르면, 2021년 기준 어플라이드는 SEM 시장에서 34%, 파운드리 업계에서는 41% 정도의 점유율을 나타냈다”며 “고성능 반도체를 찾는 고객사가 늘어나면서 업계에서 GAA와 3D 낸드 채용이 확대되고 있는데, 그 결과 자사 신제품 수요도 높아질 수 있다”고 말했다.

한편, 어플라이드는 패터닝 시장에 2013년부터 관심을 가져 왔고, 지속해서 시장점유율을 높여갈 것이라는 입장도 밝혔다. 이석우 총괄은 “패터닝 시장 규모가 웨이퍼 장비 시장 규모보다 더 빠르게 성장할 전망”이라며 “2013년도 약 15억달러(약 2조25억원)에서 2021년 70억달러(약 9조3450억원) 규모로 성장했고, 어플라이드는 점유율도 2013년 10% 미만에서 30%까지 성장했다”고 밝혔다.

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