[반도체 수율] "수율 개선을 위한 공정제어기술"

캡틴 딴딴 2022. 3. 7. 16:02

반도체 칩이 만들어지기까지 정말 다양한 공정들이 필요합니다. 이 가운에 공정제어(Process Control)는 선택한 변수를 조절함으로써 공정을 원하는 상태로 유지하는데 필요한 일련의 제어 과정을 말합니다.

[질문 1]. 공정제어 (Process Control)에 대해서 설명하세요.

공정제어는 반도체 공정 중간중간에 결함과 불량이 있는지를 검사하고, 원하는 디자인대로 잘 만들어졌는지 계측하는 공정입니다. 공정 중 발생하는 결함은 제품 개발과 생산에 영향을 미치므로, 공정제어는 이를 적절하게 검출하고 제어하는 역할을 합니다. 공정제어는 Inspection (검사), Metrology (계측), Review (리뷰)로 구분됩니다. 검사는 결함을 검출하는 것이고, 계측은 회로에서 선폭과 정렬도 등을 측정합니다. 리뷰는 결함을 좀 더 자세하게 파악하는 공정입니다.

[질문 2]. 공정제어 (Process Control)의 중요성에 대해서 설명하세요.

저는 '측정할 수 없으면 관리할 수 없고, 관리할 수 없으면 개선시킬 수도 없다'라는 말을 좋아합니다. 공정제어가 반도체 수율 개선에 큰 역할을 담당하며, 반도체의 복잡성과 팹운영 비용 증가로 양산 수율을 적기에 달성하는 것은 수십억 달러의 매출과 수익창출의 가치를 가집니다. 그렇기 때문에 Process Control은 매우 중요합니다. 현재 새로운 컴퓨팅 아키텍처와 반도체 설계로 구현된 AI 시대가 도래했습니다. 막대한 양의 고성능 로직과 메모리 소자에 대한 반도체 기술 로드맵을 발전시키지 못한다면 그 대가는 클 수밖에 없습니다. 새로운 반도체 칩의 양산은 결함을 검출하고 수정하는 역량에 의해 좌우되기 때문에 새로운 변화를 대응할 새로운 공정제어 기술이 요구되는 시기라고 생각합니다.

[질문 3]. 기존 공정제어의 이슈에 대해서 설명하세요.

기존 공정제어는 3가지의 어려움을 가지고 있는 것으로 알고 있습니다. 첫 째, 반도체 공정기술과 소자 구조가 점점 더 복잡해지고 있다는 것입니다. 광학적 결함 검출을 위한 기존 접근 방식은 미세선폭을 고려하지 않아도 되는 단순 칩에서는 문제가 없었습니다. 하지만 현재는 미세한 입자조차도 수율에 치명적인 결함을 초래하기 때문에 기존 접근 방식은 적합하지가 않습니다. 현재는 3D 구조, 멀티패터닝에 사용되는 고도의 반복적인 공정으로 미묘한 편차가 발생하면서 원인모를 치명적인 결함이 발생하고 있습니다. 둘 째는 비용상승입니다. 웨이퍼당 필요한 공정 Step 수가 증가하면서 첨단 광학 검사 시스템 비용이 크게 증가했습니다. 복잡성과 공정 Step이 늘어나면서 더 많은 검사횟수가 필요하기 때문입니다. 결함검출을 위한 광학 스캐너가 정교해지면서 스캐너 설비 비용도 증가하게 됐습니다. 스캐너 한 대당 비용증가는 웨이퍼 스캔 당 비용증가로 이어지기 때문에 결국은 비용이 크게 증가할 수밖에 없습니다. 마지막으로, 가장 여러운 문제는 노이즈입니다. 최근 광학적 검사 시스템의 민감도가 급격히 증가했습니다. 12인치 웨이퍼의 경우 백만개의 잠재적 결함을 가진 웨이퍼 맵이 생성될 수 있습니다. 하지만 대부분은 수율 저하 결함이 아니라 수율에 영향을 미치지 않는 단순 결함일 뿐이고, 반도체 엔지니어들은 엄청난 양의 잠재적 결함을 확인하는 대신, 필터링 알고리즘을 사용해 감당 가능한 데이터 세트를 확보하는 경우가 많습니다.

[꼬리 3.1]. 공정제어의 앞으로의 동향에 대해서 설명해주세요.

과거에는 미세한 결함이었던 것이 현재는 수율 저하에 요인이 되었습니다. 그러나 반도체 칩의 복잡성이 증가하면서 검사량 또한 증가해야 하는 시점임에도 불구하고 오늘날 검사량은 과거에 비해 줄고 있습니다. 그래서 현재 반도체 산업에서 필요한 것은 반도체 생산 비용을 늘리지 않으면서 요구된 수율에 단기간에 빠르게 달성할 수 있도록 하는 공정제어가 요구됩니다.

[질문 4]. 차세대 공정제어 기술에 대해서 설명해보세요.

미세화 트랜드에 따라 반도체 칩의 집적도와 회로 복잡성이 증가하면서 새로운 공정제어 기술들이 요구되고 있습니다. 현재 공정제어 기술은 빅데이터, AI 기술을 기반으로 핵심 칩 제조 기술에 활용한 공정제어 시스템들이 출현하고 있습니다. 실시간으로 연동하여 기존방식보다 빠르고 정확하며, 효과적인 비용으로 결함을 검출, 분류하는 기술들이 나오고 있습니다. A사에 광학 웨이퍼 검사시스템은 고해상도, 고속 검사 기술을 결합하여 첨단 광학기술을 통해 스캔 당 더 많은 데이터를 수집합니다. 이는 경제적이고 효율적인 광학검사를 통해 치명적인 결함을 포착하는 데 필요한 비용을 3배 절감할 수 있다고 합니다. 이와 같이 공정제어 기술의 혁신에 따라 반도체 산업의 전체 비용을 절감할 수 있고, 수율개선을 위해 핵심적인 기술 개발이 이루어져야 한다고 생각합니다.

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