글: 바히드 바헤디 램리서치 식각 사업부 수석 부사장 

새로운 기술 노드로 전환할 필요 없이 회로 집적도를 높일 수 있다는 점은 반도체 산업의 수직 스케일링을 촉진하는 강력한 원동력이 될 것이다. 그러나 이 방식에는 몇 가지 과제가 있다. 식각 능력과 관련된 문제를 해결하는 것이 주요 과제로 꼽힌다. 

현재 팹에서 양산되는 낸드 소자는 레이어가 90단이 넘는다. 이 때문에 메모리 홀 구조를 식각할 때는 고종횡비(HAR)가 50:1 이상으로 커야 한다.

팹은 옹스트롬 단위의 프로파일을 제어하면서 수 미크론 깊이로 피처(feature)를 식각해야 한다는 뜻이다. 홀을 식각할 때는 기본적으로 이동 제한의 근본적인 문제가 수반된다. 중성과 이온 둘 다 홀 하단에 충분히 도달하지 못할때, 이온 에너지를 늘리면 상단의 마스크가 소멸된다. HAR 식각은 CD 편차, 불완전한 식각, 비틀림 같은 문제가 생기기 때문에 선택적이고 정밀한 식각 능력이 요구된다. 

문제는 여기서 끝나지 않는다. 칩 설계상 각 웨이퍼마다 이러한 홀을 1조개 이상 균일하고, 예측 가능하면서도 동시에 식각해야 한다. 팹에서 매월 140만장의 낸드 웨이퍼를 대량으로 가동해야 할 경우에는 식각 문제가 가중돼 비트당 비용에 큰  영향을 줄 수  있다[그림 1)].

사업적 과제

종횡비가 커지는 만큼 필요한 식각 선택비의 요건도 높아지고 있다. 또 임계치수(CD)도 훨씬 더 빠르게 작아지고 있다. 제품을 개발하는 제조업체들은 연구개발(R&D)에서 최대한 빨리 대량 생산으로 전환하기를 원한다. 

3D 낸드의 경우 비트당 비용 문제에도 불구하고 R&D에서 대량 생산까지 걸리는 시간은 늦춰지지 않고 있다. 오히려 제조업체들이 R&D 투자 회수 차원에서 제품을 최대한 일찍 출시하려 하기 때문에 시간이 빨라지는 추세다[그림 2]. 제조업체들은 R&D 유연성을 확보하면서 대량 생산으로 빨리 전환할 수 있는 '조정 가능한 툴'이 필요하다.

또한 식각이 차지하는 비중이 커지면서 이 같은 툴과 관련된 팹 가용 공간 부족도 심해지고 있다. 공간을 늘리는 만큼 비용이 커지기 때문이다. 팹 관리자들은 공간을 최적화하고 툴에서 얻을 수 있는 웨이퍼 수를 최대한 늘리고 싶어한다.

문제 해결

해결책은 HAR 구조에 따른 이동 제한을 극복하기 위한 이온 에너지 증대에 있다. 즉, 고 선택비 식각에 맞는 재료 기술을 제공해 구조 상단 근처에서 마스크를 보호하고, 웨이퍼 전체에서 플라즈마 균일도를 확보하는 것이다. 이는 하나의 공간 최적화 패키지로서 R&D에서 생산까지 빠른 전환을 가능하게 해준다. 

예를 들어, 램리서치의 장비 인텔리전스(Equipment Intelligence)의 개념은 자가 인식, 자가 유지보수, 적응력 등 3가지 핵심에 바탕을 둔다. 

자가 인식 툴이라면 척의 유무, 척의 제조 데이터, 척에서의 편차, 척의 캘리브레이션 양호성 여부, 척 캘리브레이션 방법을 실시간으로 알 수 있다. 그러면 램리서치의 사이드라(Hydra) 시스템처럼 척 캘리브레이션을 위해 인력을 투입할 필요가 없어진다.

지능형 장비는 자가 유지보수 기능이다. 유지보수가 필요한 때를 알아내 유지보수 일정을 잡고, 예상치 못한 비가동은 방지하며, 유지보수와 관련된 모든 반복 작업을 자동화할 수 있다. 램리서치는 이 기능을 이미 코르버스(Corvus) R 시스템에 적용해 엣지링의 모니터링과 교체 작업을 진행하고 있다.

적응력 있는 장비는 유입되는 재료의 변동이나 공정 변화에 대응하고, 보정한다. 예를 들어, 램리서치의 LSRa 시스템은 웨이퍼에서 반사되는 광 스펙트럼을 분석해 각 웨이퍼의 식각 종료점을 토대로 인입 상태를 파악할 수 있다. 이런 적응력으로 가변성이 크게 줄어든다.

지능형 식각에 필요한 센스아이

램리서치의 센스아이(Sense.i) 플랫폼[그림 3]은 여러 기능을 하나의 솔루션으로 구현한다. 컴팩트한 고밀도 구조의 플랫폼은 공정 성능을 최고의 생산성으로 구현해 향후 10년간 로직, 메모리 소자 로드맵을 지원한다. 

이 플랫폼은 더 큰 공정 윈도우를 제공해 CD와 프로파일 제어를 개선해준다. 소자 스케일링은 보다 잘 지원한다. 플라즈마 균일도 제어를 다시 설계해 가장 균일한 웨이퍼를 만들고 수율은 극대화하는 한편, 이온 에너지 증대로 HAR 식각이 가능해질 뿐 아니라 식각률은 높아지고 웨이퍼 비용은 절감된다.

센스아이라는 명칭은 두 가지 개념을 포함한다. 'Sense'는 장비의 감지 및 모니터링 능력을 최대로 높인다는 의미다. 'ei'는 데이터를 인식해 팹이 장비에서 생산성을 더 높일 수 있게 하는 정보로 변환한다는 측면에서 장비 지능을 의미한다.

센스아이는 데이터 분석이 가능하다. 따라서 칩 제조업체들은 자사 데이터 추세와 패턴을 파악해 장비의 전반적인 성능과 생산성을 최적화할 수 있다.

또 자가 인식 기능이 있어 시스템 감지와 데이터 모니터링 성능을 10배 높여준다. 감지 및 자가 캘리브레이션은 자가 유지보수 기능도 있어 가동 시간을 늘려준다. 가령, 이 플랫폼은 생산 중에 진공을 유지하면서 링 교환을 지원하기 때문에 툴 생산성이 15% 이상 개선된다.
 
시스템 적응력도 더욱 강화됐다. 팹은 챔버 내부뿐 아니라 팹의 장비 전반에 걸쳐 챔버간, 장비간 성능까지 최적화할 수 있다. 이 플랫폼의 챔버로 적응력은 한 단계 더 높아진다. 처음부터 확장성을 염두에 두고 재설계했기 때문에 제조 요건이 계속 달라지는 상황에서도 램리서치는 차세대 솔루션을 효과적으로 제공할 수 있다.

점유 공간 밀도가 최적화돼 있어서 팹 공간 문제를 해결한다. 동일한 팹 면적에서 웨이퍼를 50% 이상 더 처리할 수 있다.