인공지능과 사물인터넷(IoT)의 최신 응용 분야에 필요한 강력한 집적 회로에 대한 수요로 인해 차세대 반도체 소자를 위한 보다 정교한 계측(metrology) 기술에 대한 큰 수요가 있습니다. 반도체 산업은 계속해서 이러한 소자를 제공하고 있지만, 나노미터 규모의 특징을 가진 첨단 기술 노드를 생산하면서 제조 수율을 높이는 것은 점점 더 어려워지고 있습니다.
제조 수율을 높게 유지하고, 비용을 낮추며, 제품 개발을 빠르게 유지하면서 이러한 소자 구조의 정확한 측정을 가능하게 하는 새로운 계측 도구가 필요합니다. 반도체 계측이 무엇인지, 왜 중요한지, 현재 어떻게 수행되는지, 그리고 차세대 반도체 소자를 위해 새로운 계측 솔루션이 필요한 이유를 알아보겠습니다.
반도체 소자의 계측
반도체 소자 제조는 두 달에 걸쳐 진행되며 그 기간 동안 수백 가지의 절차가 수행되는 복잡한 공정입니다. 이 공정의 중요한 단계에서 특수 도구를 사용하여 나노미터 규모의 구조를 평가하고 목표 물리적 치수에 따라 생산되었는지 확인합니다.
계측의 중요성
이러한 미세 구조의 측정이 지정된 범위 내에 있지 않으면 최종 제품이 의도한 대로 작동하지 않을 수 있습니다. 물리적 크기, 특성, 특징 간 거리를 정량화하는 데 사용되는 측정 공정을 치수 계측(dimensional metrology) 또는 간단히 계측이라고 하며, 원하는 수율을 유지하는 데 절대적으로 중요합니다.
계측의 예
반도체 웨이퍼의 특정 지점에서 수행되는 계측의 한 예는 회로 패턴의 선폭(line width)과 홀 직경(hole diameter)입니다. 또 다른 유형의 측정은 실리콘 기판 표면에 만들어진 박막의 두께입니다. 반도체 웨이퍼 표면에 전사된 첫 번째 및 두 번째 레이어 패턴의 샷 오버레이(shot overlay) 정확도를 확인하기 위한 추가 측정도 수행됩니다. 더 고급 로직 소자의 경우 게이트 높이, 측벽 각도, 핀 높이도 측정해야 합니다.
계측 대 검사
계측은 제조 중에 오염 물질의 존재와 소자 성능을 저하시킬 수 있는 제조 결함을 감지하기 위해 수행되는 웨이퍼 검사와 혼동되어서는 안 됩니다. 또한 제조된 칩의 전기적 특성이 사양에 적합한지 확인하는 자동 테스트 장비도 있습니다. 이러한 도구들은 반도체 제조의 품질 관리를 위해 계측 장비와 함께 작동합니다.
반도체 산업이 사용하는 최고의 측정 방법
반도체 제조업체는 필요한 계측 절차를 수행하기 위해 다양한 기술과 도구를 사용합니다. 현재 사용되는 최고의 전자빔 기반 및 광학 웨이퍼 계측 센서의 몇 가지 예와 아직 연구 개발 단계에 있는 몇 가지 최첨단 방법을 소개합니다.
임계 치수 주사전자현미경(CD-SEM)
이 기술은 현재 업계에서 가장 널리 사용되는 계측 도구입니다. 주사전자현미경(SEM)은 평면 트랜지스터의 탑다운(top-down) 측정에 사용할 수 있습니다. 이 장치는 집속된 전자빔을 사용하여 웨이퍼 표면을 스캔합니다. 결과로 얻어지는 라인 프로파일은 표면 구조의 정확한 측정을 얻는 데 도움을 줍니다.
초기 모델은 핀 높이와 측벽 각도를 이미징할 수 없었기 때문에 FinFET 측정에 어려움이 있었습니다. 최근에는 CD-SEM 제조업체가 최신 모델에 빔 틸트(beam-tilt) 기능을 추가하여 이러한 추가 측정을 가능하게 했습니다. 다른 제조업체는 표면 형상의 선명한 이미지를 제공하고 차세대 소자의 구성을 결정할 수 있는 후방 산란 전자 검출기를 통합했습니다.
원자간력 현미경(AFM)
이 방법에서는 미세한 바늘이 달린 캔틸레버가 웨이퍼 표면을 스캔하여 표면 구조의 3차원 측정을 생성합니다. AFM의 분해능은 최대 0.1나노미터까지 가능합니다. 원자간력 현미경은 일반적으로 속도가 느려 팹(fab)에서 CD-SEM만큼 많이 사용되지는 않지만, 더 빠른 모델이 현재 개발 중입니다. 또한 반도체 세계 밖의 다양한 분야에서 재료를 스캔하는 데 사용됩니다. 검사에 사용되는 다양한 유형의 현미경에 대한 자세한 내용은 반도체 현미경의 역할을 읽어보세요.
광학 산란계(Optical Scatterometry)
이 방법은 정밀할 뿐만 아니라 빠르고 비파괴적이기 때문에 가장 인기 있는 인라인(inline) 계측 도구 중 하나입니다. 반도체 소자에 빛을 조사한 다음 표면에서 산란된 빛의 강도를 측정하는 방식으로 작동합니다. 주로 측벽 각도, 선폭, 구조물 높이와 같은 치수를 측정하는 데 사용됩니다.
분광 타원계(Spectroscopic Ellipsometry)
타원계(ellipsometry)는 웨이퍼 기판 표면에 존재하는 박막을 측정하는 데 사용되는 또 다른 비파괴 광학 방법입니다. 층 두께, 표면 거칠기, 표면 조성, 광학 이방성, 광학 상수와 같은 특성을 이 방법을 통해 결정할 수 있습니다. 주로 메모리 및 로직 기반 마이크로칩의 계측에 사용됩니다.
모델 기반 적외선 반사율 측정(MBIR)
이 방법에서는 가시광선 대신 적외선 파장을 사용합니다. 샘플 소자에서 반사된 적외선 양을 측정하고 모델의 값과 비교합니다. DRAM 및 3D NAND 소자에서 발견되는 필름 스택이 이러한 방식으로 측정됩니다.
소각 X선 산란(SAXS)
이것은 아직 연구 개발 중인 최신 계측 기술 중 하나입니다. 새로운 소자의 주기적 나노구조의 가장자리 거칠기, 피치 워킹(pitch walking), 평균 형상을 측정하는 데 큰 잠재력을 보여줍니다. 현재 이 기술을 제한하는 요인은 사용되는 X선 소스의 밝기가 좋은 측정을 위해 충분히 밝지 않다는 점입니다.
반도체 소자의 기본 및 엔지니어링 한계에 도달
반도체 소자가 작아짐에 따라 이제 물리적, 화학적 특성에 의해 결정되는 기본 한계에 접근하고 있습니다. 이러한 더 작은 소자들은 이미 방열, 캐리어 이동도, 내결함성 임계값의 한계에서 작동하고 있습니다. 이는 나노미터 규모의 구조를 더욱 정밀하고 정확하게 조사하고 측정해야 함을 의미합니다.
차세대 반도체 소자를 위한 계측
이러한 차세대 소자에 필요한 정교한 측정 방법은 계측 도구 제조업체로 하여금 더욱 발전된 기술을 개발하고 기존 장비를 개선하여 더 많은 기능을 제공하도록 추진하고 있습니다. 계측 도구 외에도 스마트 제조 방법이 반도체 산업에서 활용되기 시작했으며, 측정값을 해석하고 제조업체에 더 많은 통찰력을 제공하는 고급 알고리즘이 사용되고 있습니다. 반도체 제조, 사용되는 장비, 최신 업계 뉴스에 대해 자세히 알아보려면 Inquivix Technologies를 확인하세요!
FAQ
반도체 계측과 반도체 검사의 차이점은 무엇인가요?
계측은 반도체 소자의 표면 구조 물리적 치수를 확인하는 것이고, 검사는 오염 물질과 제조 결함을 감지하기 위해 수행됩니다.
반도체 계측 도구로 어떤 측정을 하나요?
선폭, 홀 직경, 박막 두께 등이 반도체 계측에서 측정되는 예입니다. 더 고급 소자의 경우 게이트 높이, 핀 높이, 측벽 각도도 측정해야 할 수 있습니다.
차세대 반도체 소자에 새로운 계측 방법이 필요한 이유는 무엇인가요?
최신 반도체 소자는 캐리어 이동도, 방열, 내결함성 임계값 등의 엔지니어링 한계에 접근하고 있어 구조가 사양에 따라 제조되도록 더 정확한 방법이 필요합니다.