재료공학 솔루션 분야 글로벌 기업 어플라이드 머티어리얼즈가 고유의 전자빔(eBeam) 계측 시스템을 공개했다. 어플라이드 ‘PROVision 3E (프로비전 3E) 시스템’은 빠른 이미징 스피드를 활용한 웨이퍼 레벨의 대규모 실 패턴 디바이스(on-device & across-wafer) 계측 및 레이어 투과 이미징(through-layer) 측정을 기반으로 패터닝 제어를 위한 플레이북을 지원한다.

첨단 칩은 한번에 하나의 레이어를 만들고 여러 레이어를 적층 해가며 생성된다. 수십억 개에 이르는 각 패턴 단위가 최적의 전기 특성을 갖춘 정상적 트랜지스터와 인터커넥트로 생산되기 위해서는 패터닝 및 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) 구현을 위해서는 계측 분야의 혁신이 요구된다.

전통적인 패터닝 제어 플레이북
전통적인 패터닝 제어는 다이(die) 사이 공간에 가이드를 마크를 패터닝하고, 다이 분리 과정에서 웨이퍼로부터 제거되는 ‘프록시 타깃’을 활용해 다이 패턴 정렬을 지원하는 ‘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 피하기 어렵게 되었다. 이에 따라 엔지니어들은 기존의 광학적 프록시 타깃 패턴 결과로 실제 패턴 디바이스 상의 패터닝 결과를 예측하는데 점점 어려움을 겪고 있다.

새로운 패터닝 제어 플레이북
전체 웨이퍼 상의 반도체 소자 구조를 레이어 투과 이미징을 활용해 빠른 속도로 직접 계측하는 새로운 전자빔 시스템의 출현으로 빅데이터 기반의 새로운 패터닝 제어 플레이북이 채택되고 있다. 전자빔 계측 분야의 최첨단 혁신 장비인 어플라이드의 PROVision 3E 시스템은 새로운 플레이북을 위해 특별히 설계됐다.

키스 윌스(Keith Wells) 어플라이드 머티어리얼즈 이미징 & 프로세스 컨트롤 부문 그룹부사장 겸 총괄매니저는 “어플라이드는 전자빔 기술 선두 기업으로 최첨단 로직과 메모리 칩에 최적화된 패터닝 제어를 위한 새로운 플레이북을 고객에 제시한다”며, “PROVision 3E 시스템의 분해능과 속도는 광학 계측의 사각지대를 없애 웨이퍼 전반은 물론 칩의 여러 레이어를 투과하는 정확한 계측을 수행토록 한다. 이를 통해 PPAC를 향상하고 새로운 공정 기술과 칩의 시장 출시 속도를 가속화하는 다차원 데이터 세트를 반도체 제조사에 제공한다”라고 말했다.

PROVision 3E 시스템
PROVision 3E 시스템은 3나노미터 파운드리 로직 칩, 게이트올어라운드(GAA) 트랜지스터, 차세대 D램과 3D 낸드 등 오늘날 가장 진보한 설계 제품의 패터닝 제어를 가능케 한다.

업계를 선도하는 어플라이드 PROVision 3E 전자빔 컬럼 기술은 최고의 전자 밀도를 제공하면서도 1나노미터 분해능으로 상세 이미징을 구현한다. 수십 년간 축적된 CD-SEM (Critical Dimension SEM) 시스템 기술과 알고리즘 전문성을 바탕으로 정확하고 정밀한 계측을 제공하면서 동시에 시간당 1천만개의 계측 데이터를 정확하고 즉시 활용 가능하도록 지원한다.

어플라이드의 독보적인 일루미네이터(Elluminator) 기술은 다층 레이어로 적층된 디바이스 패턴 하부로부터 산란되어 나오는 전자, 즉, BSE(Back Scattered Electrons)의 95퍼센트를 캡처해 다층 레이어의 CD(Critical Dimension) 및 EPE(Edge Placement Error)를 동시에 계측한다. 고에너지 모드에서는 수백 나노미터 깊이의 빠른 계측이, 저에너지 모드에서는 EUV PR(Photo Resist) 등의 민감한 소재와 구조에 대해 손상 없는 계측이 가능하다.

PROVision 3E 시스템의 이러한 혁신적 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(on-device & across-wafer) 계측 및 레이어 투과 이미징(through-layer) 계측 기반의 새로운 플레이북으로 전환할 수 있게 되었다.

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