반도체 칩이 만들어지기까지는 다양한 공정이 필요하다. 이 가운데 최근 공정 제어가 주목을 받고 있다. 공정 제어(Process Control)란 공정에서 선택한 변수를 조절해 공정을 원하는 상태로 유지하는데 필요한 일련의 제어 과정을 의미한다.

공정 제어는 쉽게 말해 반도체 공정 중간중간에 결함과 불량이 있는지를 검사하고, 원하는 모양대로 잘 만들어졌는지 계측하는 공정이다. 공정 중 발생하는 결함은 제품 개발과 생산에 영향을 미치는데, 공정 제어는 이를 적절히 검출하고 제어해주는 역할을 한다.

공정 제어는 크게 △검사(Inspection) △계측(Metrology) △리뷰(Review)로 나뉜다. 검사는 결함을 검출하고, 계측은 회로 선폭과 정렬도 등을 측정한다. 리뷰는 결함을 좀 더 자세하게 살펴보는 공정이다.

이런 맥락에서 경제학의 세계적 구루인 피터 드러커가 "측정할 수 없으면 관리할 수 없고, 관리할 수 없으면 개선시킬 수도 없다"고 말한 것은 시사하는 바가 크다. 공정 제어가 반도체 수율 개선에 큰 역할을 담당하며, 반도체의 복잡성과 팹 운영 비용 증가로 양산 수율을 적기에 달성하는 것은 수십억 달러의 매출과 수익 창출의 가치를 지닌다.

◇공정 제어, ‘복잡성∙비용 상승∙노이즈’ 문제 해결해야

새로운 컴퓨팅 아키텍처와 반도체 설계로 구현된 AI 시대에 진입해 있다. AI 시대에 필요한 막대한 양의 고성능 로직과 메모리 소자에 대한 반도체 기술 로드맵을 발전시키지 못하면 그 대가는 클 수밖에 없다. 새로운 반도체 칩의 양산은 결함을 검출하고 수정하는 역량에 의해 좌우되는데, 그 중심인 공정 제어(결함 검사, 계측, 리뷰)를 위해 업계가 사용한 방법은 지난 수십 년간 큰 변화가 없었다. 이제 접근 방식을 재고해야 할 시기인 이유다.

기존 공정 제어는 다음과 같은 3가지 큰 문제로 어려움을 겪어 왔다. 첫째, 반도체 공정 기술과 소자 구조의 복잡성 증가다. 광학적 결함 검출을 위한 기존 접근 방식은 매우 작은 선폭을 고려하지 않아도 되는 단순한 칩에서는 문제 없지만 미세한 입자조차도 수율에 치명적 결함을 초래하는 현 상황에는 적합치 않다. 오늘날은 3D 구조 생성 및 멀티 패터닝에 사용되는 고도의 반복적 공정으로 미묘한 편차가 배가돼 원인 모를 치명적 결함이 발생하고 있다.

둘째, 비용 상승이다. 웨이퍼당 필요한 공정 스텝(step) 수가 증가하고, 첨단 광학 검사 시스템 비용이 천정부지로 치솟고 있다. 복잡성과 공정 스텝이 늘면 더 많은 검사 횟수가 필요한 것은 당연하다.

결함 검출을 위한 광학 스캐너가 정교해지면 스캐너 비용도 증가한다. 스캐너당 비용 증가는 웨이퍼 스캔당 비용 증가로 이어진다.

셋째, 가장 어려운 문제는 노이즈다. 최근 광학적 검사 시스템의 민감도는 급격히 증가했다. 12인치 웨이퍼의 경우 백만 개의 잠재적 결함을 가진 웨이퍼 맵이 생성될 수 있다. 하지만 대부분은 수율 저하 결함이 아니라 수율에 영향을 미치지 않는 단순 결함일 뿐이다. 따라서 반도체 엔지니어들은 엄청난 양의 잠재적 결함을 확인하는 대신, 필터링 알고리즘을 사용해 감당 가능한 데이터 세트를 확보하는 경우가 많다.

오늘날 사용되는 검사 패러다임은 지금과는 양상이 전혀 다른 시기에 개발된 것이다. 과거에는 미세한 결함이던 것이 이제는 수율 저하 요인이 됐다. 그러나 반도체 칩의 복잡성 증가로 검사량을 늘려야 할 시점임에도 불구하고 오늘날 검사량은 과거와 비교해 줄고 있다. 따라서 우리에게 필요한 것은 반도체 생산 비용을 늘리지 않으면서 수율 도달 기간을 빠르게 달성하도록 하는, 공정 제어를 위한 새로운 플레이북이다. 이것이 반도체 산업에서 반드시 필요한 혁신이다.

◇어플라이드 머티어리얼즈, 빅데이터∙AI 기반 공정 제어를 위한 새로운 플레이북 공개

재료공학 솔루션 분야 글로벌 선도 기업 어플라이드 머티어리얼즈가 최근 빅데이터와 AI 기술을 핵심 칩 제조 기술에 활용한 혁신적인 공정 제어 시스템을 공개했다. 어플라이드의 솔루션은 실시간 연동해 작동하는 것은 물론 기존 방식보다 빠르고 우수하며 효과적인 비용으로 결함을 검출⋅분류하는 △새로운 '인라이트(Enlight)' 광학 웨이퍼 검사 시스템 △새로운 '익스트랙트AI(ExtractAI)' 기술 △'SEM비전(SEMVision)' 전자빔 리뷰 시스템 등 세 가지 요소로 구성된다.

5년간의 개발 기간을 거친 새로운 인라이트 광학 웨이퍼 검사 시스템은 고해상도⋅고속 검사 기술을 결합한 장비로서, 첨단 광학 기술을 통해 스캔당 더 많은 데이터를 수집한다. 인라이트 시스템 아키텍처는 경제적이고 효율적인 광학 검사를 제공해 경쟁사에 비해 치명적인 결함을 포착하는 데 투입되는 비용을 3배 절감할 수 있다.

어플라이드의 데이터 사이언티스트들이 개발한 새로운 익스트랙트AI 기술은 최신 광학 스캐너에서 생성되는 수백만 개의 미약한 신호와 '노이즈'를 수율 저하 결함과 신속 정확하게 구별해 내는 기술로 이는 웨이퍼 검사에서 가장 어려운 과제를 해결했다. 익스트랙트AI는 광학 검사 시스템에서 생성되는 빅데이터와 특정 수율 신호를 분류하는 전자빔(eBeam) 리뷰 시스템을 실시간 연결하는 업계 유일의 솔루션이다. 이 같은 빅데이터를 추론해 웨이퍼 맵의 모든 신호를 분류하고 수율 저하 요인을 노이즈와 구분해 준다.

SEM비전 전자빔 리뷰 시스템은 지난 20여 년간 전 세계 고객사 반도체 공정에서 1500여 시스템이 적용되며 시장을 선도해 왔다. 업계 최고 해상도를 제공하는 SEM비전 리뷰 시스템과 익스트랙트AI 기술을 통해 인라이트 시스템에서 검출된 웨이퍼 내 노이즈로부터 결함을 분류하고, 수율 저하 결함을 효과적으로 검출한다. 인라이트 시스템과 익스트랙트AI 기술, SEM비전 시스템은 실시간 연동됨으로써 고객은 제조 과정에서 새로운 결함을 즉시 식별해 수율과 수익성을 향상시킬 수 있다.

이처럼 어플라이드는 높은 수준의 광학 검사 및 전자빔 리뷰 기술을 결합함으로써 수율에 중요한 결함을 감지하고 분류함은 물론, 공정 변화를 실시간 학습하고 적응하는 인텔리전스를 갖췄다. 반도체 제조사는 이 같은 고유 기능을 활용해 새로운 공정 노드를 더욱 빠르게 양산하고 공정 전반에 걸쳐 수율에 치명적인 결함을 안정적으로 검출할 수 있게 된다.

어플라이드 머티어리얼즈는 앞으로도 공정 제어를 비롯해 혁신적인 기술과 솔루션으로 반도체 업계가 PPACt(전력⋅성능⋅공간⋅비용⋅시장출시기간)를 획기적으로 개선할 수 있도록 지원한다는 계획이다.

서희원 기자 shw@nextdaily.co.kr