반도체 수율 심각성 조명, 고수율 양산 전환 해법 제시... 정밀 측정·확률 기반 제어·스토캐스틱 기반 설계 등 제안

“반도체 관련 보고서에 따르면, 반도체 최신 양산 공정이 전체적으로 딜레이되는 추세이다. 이에 ‘스토캐스틱 변이’와 같은 무작위 오류를 주목해야 한다.”

반도체 산업의 스토캐스틱 계측과 제어 분야의 전문 기업, 프랙틸리아(Fractilia)의 에드워드 샤리에(Edward Charrier) 공동창립자겸 CEO는 7월16일 기자 간담회에서 이렇게 강조했다.
 

이 업체는 이날 최첨단 반도체 공정에서 발생하는 수천억 원대 수율 손실과 양산 지연을 초래하는 ‘스토캐스틱 변이’ 문제를 해결하기 위한 새로운 로드맵을 담은 연구 결과를 발표했다.

프랙틸리아는 글로벌 반도체 제조업체들이 최신 공정 노드에서 ‘제어되지 않는 무작위 패터닝 변동성’으로 인해 팹당 수천억 원 규모의 수율 손실과 양산 지연을 겪고 있다고 밝혔다. 

함께 방한 한 크리스맥(ChrisMack) 공동창립자겸 CTO도, “‘스토캐스틱 변이’와 같은 무작위 변이가 반도체 제조공정에 영향을 미치고 있다”며, “이에 정확한 측정, 정량화, 모델화하여 만족할 만한 수율을 가져가야 한다”고 말했다. 

스토캐스틱이 뭐길래

이 업체의 공동창업자가 강조한 치명적인 변동성, 즉, ‘스토캐스틱’은 현재 최첨단 공정에서 대량양산(High-Volume Manufacturing, HVM)을 실현하는 데 있어 가장 큰 걸림돌이 되는 것으로 나타났다. 프랙틸리아는 이에 대한 해결책을 제시했다. 분석을 통해 정밀한 측정, 확률 기반 공정 제어, 스토캐스틱 기반 설계 전략을 통합함으로써 반도체 산업 전반에서 수조 원에 달하는 잠재 수익을 증대할 수 있다는 것.

프랙틸리아의 이번 발표는 해상도 관점(perspective of resolution)에서 스토캐스틱 효과의 영향을 분석한 업계의 최초 사례라고 밝혔다.
 

연구개발 단계에서 패턴화할 수 있는 피처 크기(feature size)와 과거 기대 수율을 기준으로 안정적으로 대량 생산할 수 있는 피처 크기 사이에는 격차가 존재한다. 이러한 해상도 격차는 주로 스토캐스틱 변이에서 비롯된다. 이는 반도체 리소그래피(lithography) 공정에 사용되는 재료와 장비 내 분자, 광원, 심지어 원자 수준에서의 무작위적 거동으로 인한 변동성이다. 스토캐스틱 변이는 다른 공정 변동성과는 달리, 제조 공정에 사용되는 재료와 기술에 내재된 특성이며, 현재의 공정 제어 방식과는 다른 확률 기반 분석을 통해 해결해야 한다.

맥 CTO는 “고객들은 연구개발 단계에서 12나노미터 수준의 고밀도 피처를 성공적으로 구현했지만, 이를 양산에 적용하려고 할 때, 스토캐스틱 결함이 작용해 목표 수율, 성능, 신뢰성을 확보하는 데 어려움을 겪고 있다”고 말했다. 

EUV와 고-NA EUV 기술 도입, 스토캐스틱 변이 영향 커져

과거에는 스토캐스틱 변이가 고수율 양산에 미치는 영향은 크지 않았다. 스토캐스틱 효과가 임계 피처 크기보다 작았기 때문에, 수율을 떨어뜨리는 치명적인 결함이 발생할 가능성이 낮았다. 그러나 극자외선(EUV)과 고-NA EUV 기술 도입으로 리소그래피 해상도가 크게 향상되면서, 첨단 제조 공정에서 스토캐스틱 변이는 오차 허용 범위에서 훨씬 더 큰 비중을 차지하게 됐다. 

다행히 이 스토캐스틱 격차(stochastics gap)는 고정된 것이 아니다. 이번 연구에서 프랙틸리아는 스토캐스틱 격차의 원인을 상세히 설명했으며, 이 격차를 해소하기 위한 솔루션으로 스토캐스틱 기반 기기 설계, 재료 혁신, 스토캐스틱 기반 공정 방안을 제시했다.
 

프랙틸리아는 반도체 제조업체들이 스토캐스틱 변이를 정확하게 측정·정량화·관리해 수율과 생산 효율을 개선할 수 있도록 돕는 독자적 특허 기반 측정 소프트웨어를 개발하고 있다.

프랙틸리아의 FILM™(Fractilia Inverse Linescan Model) 기술은 SEM 이미지에서 고정밀 데이터를 추출하는 물리 기반 알고리즘을 활용한다. 기존 장비들과 달리, FILM™은 웨이퍼의 실제 피처와 이미지 노이즈를 구분하며, 수동 입력 없이 작동해 장비와 팹 간 일관성 있고 자동화된 정밀 측정이 가능하다고 설명했다.

프랙틸리아의 제품에는 MetroLER™(R&D 및 공정 특성화용), FAME 100xE™ (R&D 및 공정 램프업 단계용 완전 자동화 측정), FAME 300 (양산 환경에서의 실시간 공정 모니터링 및 SEM 장비 정합 지원), FAME OPC (편향 없는 스토캐스틱 데이터를 기반으로 한 OPC 모델 보정용 자동 측정) 등이 있다고 소개했다.

또한 프랙틸리아 솔루션 고객사에는 미국, 아시아, 유럽 전역의 주요 반도체 제조업체, 포토레지스트 공급업체, OEM 등이 있다며 구체적인 기업명은 공개하지 않았다. 다만 업체는 최근 6개월 동안, 주요 반도체 기업들과 기존에 외부 솔루션 도입에 소극적이었던 기업들까지 별도의 파일럿 테스트 없이 직접 프랙틸리아 솔루션을 구매하고 있다고 밝혔다.