AMAT, 첨단 로직·메모리 칩 패터닝에 필요한 새로운 플레이북 지원하는 전자빔 계측 시스템 공개

[테크월드뉴스=서유덕 기자] 어플라이드 머티어리얼즈(AMAT)가 고유의 전자빔(eBeam) 계측 시스템을 21일 공개했다. ‘프로비전 3E(PROVision 3E) 시스템’은 빠른 이미징 스피드를 활용한 웨이퍼 레벨의 대규모 실 패턴 디바이스 계측과 레이어 투과 이미징 측정을 기반으로 패터닝 제어를 위한 플레이북을 지원한다.

첨단 칩은 한 번에 하나의 레이어를 만들고 여러 레이어를 적층하며 생성된다. 수십억 개에 이르는 각 패턴 단위가 최적의 전기 특성을 갖춘 정상적 트랜지스터와 인터커넥트로 생산되기 위해서는 패터닝과 정렬이 완벽하게 이뤄져야 한다. 현재 반도체 업계는 단순 2D 설계에서 멀티 패터닝과 3D 설계로 전환되는 추세다. 따라서 각각의 핵심 레이어를 완벽하게 가공하고, 최상의 PPACt(전력·성능·크기·비용·출시소요기간)를 구현하려면 새로운 계측 기술이 필요하다.

전통적인 패터닝 제어는 다이(die) 사이 공간에 가이드 마크를 패터닝하고, 다이 분리 과정에서 웨이퍼로부터 제거되는 ‘프록시 타깃’을 활용해 다이 패턴을 정렬하는 ‘광학적 오버레이 툴’ 방식으로 수행된다. 광학적 프록시 타깃 근사치 방식은 웨이퍼 내의 소수의 다이 패턴을 통계적으로 샘플링하는 방식으로 적용된다. 그러나 배선폭의 지속적인 축소, 멀티 패터닝의 광범위한 적용, 3D 설계 구조의 도입 등은 레이어 간의 왜곡을 발생시켜 전통적 패터닝은 제어 방식에서는 측정 결함이나 사각지대를 피하는 것이 쉽지 않다. 엔지니어들은 기존의 광학적 프록시 타깃 패턴 결과로 실제 패턴 디바이스 상의 패터닝 결과를 예측하는데 어려움을 겪고 있다.

따라서, 전체 웨이퍼 상의 반도체 소자 구조를 레이어 투과 이미징으로 빠르게 직접 계측하는 전자빔 시스템이 등장해 빅데이터 기반의 새로운 패터닝 제어 플레이북이 채택되고 있다. AMAT의 프로비전 3E 시스템은 이 새로운 플레이북을 위해 설계됐다. 프로비전 시스템은 3나노미터(㎚) 파운드리 로직 칩, GAA(Gate-All-Around) 트랜지스터, 차세대 D램과 3D 낸드 등 최신 설계 기술이 적용된 칩의 패터닝 제어를 가능케 한다.

▲ 프로비전 3E 전자빔 컬럼 기술은 고밀도의 1㎚ 분해능으로 상세 이미징을 구현한다. 수십 년간 축적된 CD-SEM(임계치수-주사전자현미경) 시스템 기술과 알고리즘 전문성을 바탕으로 정확하고 정밀한 계측을 제공하면서 동시에 시간당 1000만 개의 계측 데이터를 정확하고 즉시 활용 가능하도록 지원한다.

▲ 일루미네이터(Elluminator) 기술은 다층 레이어로 적층된 디바이스 패턴 하부로부터 산란돼 나오는 전자, 즉, BSE(후방산란전자)의 95%를 캡처해 다층 레이어의 CD와 EPE(엣지 배치 오류)를 동시에 계측한다. 고에너지 모드에서는 수백 나노미터 깊이의 빠른 계측이, 저에너지 모드에서는 EUV PR(포토 레지스트) 등의 민감한 소재와 구조에 대해 손상 없는 계측이 가능하다.

프로비전 3E 시스템의 이 같은 특성 덕분에 고객은 광학 프록시 타깃 근사치 방식의 제한된 통계 샘플링과 단일 레이어 제어를 통한 기존 패터닝 제어 플레이북에서 웨이퍼 레벨의 대규모 실 패턴 디바이스 계측과 레이어 투과 이미징 계측 기반의 새로운 플레이북으로 전환할 수 있게 됐다.

한편, 프로비전 3E 시스템은 공정 기술, 센서, 계측, 데이터 애널리틱스를 결합해 연구·개발부터 시제품, 양산에 이르는 공정 기술 개발의 모든 단계를 가속화하는 어플라이드 AIX(액셔너블 인사이트 액셀러레이터) 플랫폼의 주요 구성요소기도 하다. AI 플랫폼 애널리틱스는 디바이스상 공정 변수를 프로비전 3E가 캡처한 웨이퍼 상의 대규모 계측 값과 비교 분석해 엔지니어가 공정 개발 속도를 2배로 높이고 공정 윈도우를 30% 확대할 수 있도록 지원한다.

전 세계 파운드리 로직, D램, 낸드 제조사들이 현재 프로비전 3E 시스템을 사용하고 있다. 패턴 제어, 프로비전 3E 시스템, 프로세스 레시피 최적화 관련 상세 정보는 AMAT의 ‘2021 프로세스 제어 및 어플라이드프로 마스터 클래스’에서 확인 가능하다.