현재 극자외선(EUV) 공정의 스토캐스틱 해상도 격차는 약 5나노미터 수준이다.

세계 반도체 산업의 스토캐스틱 계측과 제어 분야를 선도하는 프랙틸리아(Fractilia)는 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.

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

프랙틸리아의 CTO인 크리스 맥(Chris Mack)은 “스토캐스틱 변이(stochastic variability)는 첨단 공정 기술을 대량생산에 도입하는 데 수조 원 규모의 지연을 초래하고 있다. 그러나 기존의 공정 제어 방식은 이러한 무작위 변동을 해결하는 데 효과적이지 않다. 스토캐스틱 격차를 해소하기 위해서는 완전히 다른 접근 방식이 필요하며, 반도체 제조업체들은 이를 검증하고 채택해야 첨단 공정을 성공적으로 양산에 적용할 수 있다”고 말하며, 실제로 현재 전자산업의 성장은 스토캐스틱에 의해 제약을 받고 있다고 지적했다.

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

스토캐스틱 격차

연구개발 단계에서 패턴화할 수 있는 피처 크기(feature size)와 과거 기대 수율을 기준으로 안정적으로 대량생산할 수 있는 피처[i] 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.

프랙틸리아의 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.

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 격차는 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.

맥 CTO는 “스토캐스틱 격차는 산업 전반에 영향을 미치는 문제다. 이를 최소화하고 제어할 수 있지만, 모든 해결의 출발점은 정확한 스토캐스틱 측정 기술의 확보에서 시작된다”고 강조했다.