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차세대 메모리 반도체 개발을 지원하는 ‘통합 공정 모니터링’


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글/어플라이드 머티어리얼즈 코리아

사물인터넷(IoT), 빅데이터, 인공지능(AI)은 더 빠른 속도와 높은 전력 효율성을 갖춘 컴퓨팅을 필요로 한다. 업계는 이 같은 요구사항에 맞춰 새로운 메모리 기술을 모색하고 있다. 

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M램(Magnetic RAM), Re램(Resistive RAM), PC램(Phase Change RAM) 3가지 메모리는 IoT 기기와 클라우드 컴퓨팅 서비스에 성능, 전력 소모, 비용 측면에서 혜택을 제공하는 대표적인 차세대 메모리로 꼽히지만 공정 기술과 양산에 혁신이 요구되는 정교한 신소재를 기반으로 한다. 차세대 메모리 구현을 위한 핵심 필름은 얇고 변화에 민감해 계측이 매우 중요하다. 증착 레이어는 불순물에 대한 민감도가 높기 때문에 여러 공정 절차와 계측이 진공 상태에서 함께 이뤄져야 한다.
M램, PC램, Re램은 기존 메모리 반도체와 비교해 시스템 성능은 높이고 전력 소비량은 낮추는 장점을 갖췄다. 이미 주요 반도체 제조사들이 M램과 PC램 상용화 계획을 발표했다. 이는 신소재를 합성하고 이를 양산 조건에서 원자 단위 정밀도로 증착하는 기술이 완성됐음을 의미한다. 
M램은 30가지 이상 금속과 절연층을 정밀하게 증착해 만들어진다. 재료는 두께별로 1~30Å(옹스트롬) PVD(물리기상증착) 기법이 적용되며, 각 레이어는 정밀한 측정과 제어가 필요하다. M램에 사용되는 산화마그네슘(MgO) 필름은 자유층과 기준층 간 경계를 형성하는 주요 레이어 ‘자기터널접합(MTJ)’의 핵심으로, 0.1? 정밀도로 증착되기 때문에 낮은 면적저항(일반적으로 5-10Ωμm2의 RA)과 터널자기저항(TMR>150%) 특성을 반복적으로 보장해야 한다.
터널자기저항(TMR)은 기기 성능, 수율, 내구성을 나타내는 중요한 매개변수다. 원자를 잃어버리는 현상은 TMR에 상당한 영향을 미칠 수 있으며(그림 1) 이 때문에 M램 생산 시 계측이 중요하다. 

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[그림 1] 핵심 MgO 레이어에서 소수 원자의 변동성은 성능에 영향을 준다.

PC램과 Re램 레이어는 M램 레이어처럼 얇지 않지만 이 메모리들의 재료는 불순물과 대기에 노출 시 성능 저하에 매우 민감하게 반응한다. 따라서 M램과 마찬가지로 입자와 불순물이 기기를 오염시키지 않도록 여러 재료를 진공 상태에서 증착하고 측정할 수 있는 통합 PVD 공정 시스템이 필요하다.
차세대 메모리 반도체 생산에 있어 변동성 제어는 양산과 상용화를 위한 반복적 성능 구현에 매우 중요하다. 웨이퍼 임계 전압(Vt)에서 0.3V 미만의 변동성을 구현하려면 PC램 스택의 주요 레이어가 목표 두께 값의 ±5Å 이내로 제어되어야 한다. 이를 위해 Å 미만의 정밀도를 보장하는 계측이 필요하다. 
필름 스택에 대한 기존 특성 분석 접근 방식은 공정 툴과 분리된 다수의 독립형 계량기 기술 및 투과전자현미경(TEM)에 의존하기 때문에 필름 성능을 떨어뜨릴 가능성이 있다.

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[그림 2] 전통적인 계측법은 소요 시간이 길고 스택의 개별 레이어 두께를 측정할 경우 범위가 제한된다.

대부분의 필름은 대기에 노출될 경우 특성이 변한다. 따라서 대기에서 진행하는 기존 측정 방식은 챔버 모니터링을 위해 더 두꺼운 블랭킷 필름에 의존하기 때문에 초박막 필름이라는 재료 특성을 언제나 정확하게 나타내지는 않는다. 이 같은 접근 방식은 챔버 성능 인증에 더 많은 증착 소재와 툴 시간이 소요되는 단점도 있다.
투과전자현미경은 개별 박막 레이어 측정 시 효과가 있지만 <그림 2>처럼 레이어가 몇 원자 두께 미만일 경우 정밀 측정에 문제가 발생한다. 이 때문에 근본적으로 공정의 통계적 특성을 고려하는 계측 시스템이 필요하다. 또한 결과를 도출하는 시간이 몇 시간에서 많게는 몇 일까지 걸린다는 점, 박막 특성에 대한 계측 정확성이 떨어진다는 점, 패턴화된 웨이퍼 풀스택을 모니터링 할 수 없는 점 때문에 새로운 계측 기법의 필요성이 요구된다. 
여러 공정 단계에 걸쳐 진공 상태로 작동하는 통합 플랫폼은 큐 대기 시간에 따른 영향을 최소화하고, 필름 성능 저하와 인터페이스 문제를 방지한다. 이 같은 통합 플랫폼은 스택 내에서 각 레이어를 폐쇄 루프 방식으로 제어해 변동성을 줄이는 장점도 있다.
차세대 메모리 반도체를 양산하기 위해서는 새로운 공정 제어 솔루션이 반드시 필요하다. 이 같은 제어 시스템은 높은 순도의 증착 박막 필름을 측정하고, 차지 공간이 작아야 하며, 신속하고 비침습적으로 작동해야 한다. 어플라이드 머티어리얼즈는M램, PC램, Re램을 위한 새로운 공정 제어 솔루션을 통해 혁신적 컴퓨팅이 가능하도록 지원한다.

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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