Chapter 06

전자빔 검사와 리뷰 SEM

광학 검사는 빠르지만 두 가지를 못 본다. 빛의 분해능보다 훨씬 작은 결함, 그리고 겉모양은 멀쩡한데 전기적으로만 끊긴 결함이다. 전자빔은 둘 다 본다. 대신 느리다. 웨이퍼 한 장을 전부 훑는 데 광학은 몇 분에서 한 시간이면 되지만 전자빔은 몇 주가 걸린다. 그래서 전자빔은 두 가지 일을 맡는다. 좁은 면적만 골라 검사하는 일, 그리고 광학 검사가 넘겨준 좌표로 찾아가 결함의 얼굴을 찍는 일이다. 이 장은 전자빔이 어떤 단서를 주고, 그 단서의 값이 얼마인지를 다룬다.

전자빔이 광학보다 분해능이 높은 이유와, 그 분해능을 정하는 것이 파장이 아니라는 점을 설명한다.
전압 대비의 원리를 설명하고, 어두운 콘택과 밝은 콘택이 각각 무슨 결함을 뜻하는지 읽는다.
화소 크기·빔 전류·검사 면적으로 전자빔 검사 시간을 어림하고, 광학 검사와 비교한다.
리뷰 SEM이 광학 검사의 결함을 다시 찾을 확률을 좌표 오차와 시야로 계산한다.
대전, 감광막 수축, 오염 같은 전자빔의 부작용과 그것이 검사 계획에 주는 제약을 설명한다.

왜 전자인가

5장의 광학 검사는 분해능이 파장에 묶여 있다. 심자외선 광대역 조명(파장 약 190~260 nm 이상)과 개구수 0.9의 대물렌즈를 써도 $0.61\lambda/\mathrm{NA}$는 약 130~180 nm다. 선폭과 간격이 수십 nm인 패턴에서는 선 여러 개가 한 점으로 뭉개진다. 광학 검사가 그래도 작은 결함을 잡는 것은 결함을 '보기' 때문이 아니라 이웃 다이와의 신호 차이를 '느끼기' 때문이다. 결함이 작아질수록 그 차이는 급하게 줄어들고(암시야의 산란은 지름의 여섯제곱에 비례), 어느 크기 아래로는 선 가장자리 거칠기 같은 뉴슨스에 묻힌다.

전자는 파장이 훨씬 짧다. 전압 $V$로 가속한 전자의 드브로이 파장(de Broglie wavelength)은 다음과 같다.

$$\lambda = \frac{h}{\sqrt{2\,m_e\,e\,V}} \approx \frac{1.23}{\sqrt{V\,[\mathrm{V}]}}\ \text{nm}$$

$h$는 플랑크 상수, $m_e$는 전자 질량, $e$는 기본 전하. 1 kV에서 약 0.039 nm, 10 kV에서 약 0.012 nm다(상대론 보정은 이 범위에서 1% 미만).

원자 지름보다 짧은 파장이지만 실제 주사 전자 현미경(SEM)의 분해능은 약 1~수 nm다. 한계를 정하는 것은 파장이 아니라 전자 렌즈의 수차, 전자원의 밝기(빔을 가늘게 조이면 전류가 줄어든다), 그리고 전자가 시료 안에서 퍼지는 범위다. 그래도 광학보다 50~100배 가늘다. 수십 nm 패턴 사이의 10 nm짜리 브리지를 형태 그대로 볼 수 있는 인라인 장비는 전자빔뿐이다.

스폿의 크기. 피치 40 nm 배선 위에 두 장비의 탐침을 같은 축척으로 그렸다. 붉은 조각은 폭 약 15 nm의 브리지다. 광학 스폿 안에서 브리지가 차지하는 면적은 1%도 안 되어 신호 차이가 작다. 전자빔은 브리지보다 가늘어서 모양을 그대로 그린다. 대신 같은 면적을 훑으려면 훨씬 많은 점을 찍어야 한다.

전자를 쓰는 장비는 수율 분석에서 세 가지 이름으로 등장한다. 넓은 면적에서 결함을 찾는 전자빔 검사(E-beam inspection, EBI), 이미 찾은 결함을 다시 찍는 리뷰 SEM(Review SEM, DR-SEM), 선폭을 재는 CD-SEM이다. 원리는 같고 설계의 무게중심이 다르다. 검사 장비는 큰 전류와 빠른 주사로 처리량을, 리뷰 장비는 정확한 스테이지와 여러 검출기로 영상의 질을, 계측 장비는 반복 정밀도를 챙긴다. 이 장은 앞의 둘을 다룬다.

전자와 시료: 영상은 무엇으로 만들어지나

가늘게 조인 1차 전자빔이 시료에 들어가면 여러 신호가 나온다. 검사와 리뷰에서 쓰는 것은 주로 두 가지다. 자세한 물리는 FailureBook 10장에 있고, 여기서는 맵을 읽는 데 필요한 만큼만 본다.

이차 전자(Secondary electron, SE): 1차 전자에 맞아 시료에서 튀어나온 전자. 에너지가 약 50 eV 이하(대부분 수 eV)로 낮아서 표면 수 nm 깊이에서 생긴 것만 빠져나온다. 표면의 모양을 그린다. 에너지가 낮으므로 표면 전위가 몇 볼트만 달라져도 검출되는 양이 크게 바뀐다. 이 성질이 다음 절의 전압 대비를 만든다.
후방 산란 전자(Backscattered electron, BSE): 원자핵에 튕겨 되돌아 나온 1차 전자. 에너지가 높고, 원자 번호가 큰 물질일수록 많이 나온다. 텅스텐·구리와 산화막을 밝기로 가르는 재질 대비를 준다. 더 깊은 곳에서 나오므로 얇은 막 아래의 금속도 비친다.

평평한 면보다 모서리가 밝게 보이는 것도 이차 전자의 탈출 깊이 때문이다. 모서리에서는 윗면뿐 아니라 옆면으로도 전자가 빠져나온다. 그래서 SEM 영상에서 배선과 콘택은 밝은 테두리를 두른 모양이 되고, 파티클은 한쪽이 밝고 반대쪽에 그림자가 진 입체처럼 보인다.

신호와 대전. 왼쪽: 이차 전자(SE)는 표면 가까이에서, 후방 산란 전자(BSE)는 더 깊은 곳에서 나온다. 오른쪽: 들어간 전자 하나당 나오는 전자 수(SE + BSE)를 총 방출 수율 σ라 한다. 두 교차 에너지 E1과 E2 사이에서는 나오는 전자가 더 많아 절연된 표면이 양(+)으로 대전되고, 그 밖에서는 음(−)으로 대전된다. E2는 물질에 따라 대개 수백 eV~수 keV다.

수율 곡선이 중요한 이유는 반도체 웨이퍼의 표면이 대부분 절연막이기 때문이다. 접지로 빠질 길이 없는 곳에 전자를 계속 쏘면 전하가 쌓인다. 인라인 장비가 약 0.3~2 keV의 낮은 착지 에너지를 쓰는 까닭이 여기에 있다. 이 범위에서는 σ가 1에 가깝거나 조금 커서 대전이 약하고 안정적이며, 전자가 얕게만 들어가 소자 손상도 적다. 그리고 이 약한 양(+) 대전을 일부러 이용하면 광학으로는 얻을 수 없는 단서가 나온다.

전압 대비: 전기가 통하는지를 본다

텅스텐을 채우고 평탄화한 직후의 콘택 층을 생각하자. 위에서 보면 절연막 바다에 금속 점이 늘어서 있다. 정상인 콘택은 아래의 실리콘 확산 영역을 거쳐 기판으로 이어져 있다. 여기에 σ > 1인 조건으로 전자빔을 쏘면 표면에서 전자가 빠져나가 금속 점이 양(+)으로 올라가려 한다. 이때 두 경우가 갈린다.

기판으로 이어진 콘택: 빠져나간 만큼 기판에서 전자가 올라와 채운다. 전위는 0 V 근처에 머물고 이차 전자가 계속 잘 나온다. 밝다.
끊겨서 떠 있는 콘택: 채워 줄 길이 없다. 전위가 수 볼트까지 올라가고, 에너지가 수 eV뿐인 이차 전자는 이 양전위에 끌려 되돌아온다. 어둡다.

이것이 전압 대비(Voltage contrast, VC)다. 표면의 밝기가 그 도체의 전위, 곧 아래쪽과의 전기적 연결 상태를 알려 준다. 탐침을 대지 않고 하는 도통 시험인 셈이다. 수율 분석에서는 따로 전압을 걸지 않고 빔이 만든 대전만 이용하므로 passive voltage contrast라고도 한다.

전압 대비. 세 번째 콘택은 식각이 모자라 바닥에 절연막이 남았다. 위에서 본 모양과 크기는 이웃과 같아서 광학 검사와 SEM의 형상 영상에서는 구별되지 않는다. 양(+) 대전 조건에서는 이 콘택만 전위가 올라가 이차 전자를 붙잡고 어둡게 보인다.

어두운 것과 밝은 것

전압 대비 결함은 "원래 밝아야 하는 것이 어둡다"와 "원래 어두워야 하는 것이 밝다" 두 가지다. 어느 쪽이 정상인지는 그 구조가 설계상 어디에 이어져 있느냐로 정해진다.

구조(양 대전 조건)	정상	이상	뜻하는 결함
기판·웰로 이어진 콘택, 그 위의 비아 사슬	밝음	어두움 Dark VC	단선. 미개구 콘택, 바닥 잔막, 텅스텐 보이드, 끊긴 비아
떠 있어야 하는 도체(게이트 위 콘택, 절연된 배선 조각)	어두움	밝음 Bright VC	단락·누설. 게이트 산화막 누설, 이웃 접지선과의 브리지, 콘택–게이트 단락
n+ 확산 위의 콘택(p형 기판)	중간~어두움	밝음	접합 누설. 양 대전은 n+/p 접합을 역방향으로 걸어 정상이면 전하가 잘 빠지지 않는다
p+ 확산 위의 콘택(n웰)	밝음	어두움	단선. 양 대전이 접합을 순방향으로 걸어 정상이면 전하가 잘 빠진다

대전의 방향은 조건으로 고른다착지 에너지를 E2보다 높이거나 웨이퍼 위의 전기장을 바꿔 이차 전자를 되돌려 보내면 표면이 음(−)으로 대전되고, 밝고 어두운 관계가 뒤집힌다. 접합이 걸리는 방향도 바뀌므로 양 대전에서 안 보이던 결함이 음 대전에서 드러나기도 한다. 그래서 전압 대비 검사의 레시피는 "어느 층에서, 어떤 결함을, 어느 극성으로 볼 것인가"를 정하는 일이다. 대전은 시간이 지나며 쌓이므로 한 번 훑은 영역을 다시 찍으면 밝기가 달라진다. 미리 넓게 빔을 뿌려 대전 상태를 맞춰 놓는 예비 주사(pre-charging)를 쓰는 이유다.

SIMULATOR

세 가지 눈: 명시야 · SEM · 전압 대비

미개구 콘택전기적으로 끊긴 콘택파티클문턱을 넘은 화소

검출 문턱 표면 대전(전압 대비 모드) 끊긴 콘택 수 정답 위치 표시

미개구 콘택—

끊긴 콘택—

파티클—

거짓 검출—

해볼 것: ① 이 다이에는 미개구 콘택 1개, 파티클 1개, 전기적으로 끊긴 콘택 3개가 숨어 있다. 명시야와 SEM 형상에서 찾을 수 있는 것을 세어 보자. 끊긴 콘택은 문턱을 내려도 나오지 않는다. 거짓 검출만 쏟아지고, 그 가운데 몇 개가 우연히 끊긴 콘택 자리에 걸릴 뿐이다. ② 전압 대비로 바꾸면 끊긴 콘택이 검게 빠진다. 대신 파티클은 문턱 0.2에서 사라진다. 전압 대비는 형상이 아니라 연결을 보는 눈이다. ③ 표면 대전을 0%로 내리면 전압 대비 영상이 SEM 형상 영상으로 돌아가고 끊긴 콘택이 다시 숨는다. 대전 조건이 맞지 않으면 전압 대비 검사는 아무것도 못 잡는다. ④ "정답 위치 표시"로 놓친 것을 확인한다. (왼쪽은 검사 다이, 오른쪽은 이웃 기준 다이와의 차 영상. 4화소 이상 덩어리만 검출로 센다. 대전량은 두 영상을 섞는 비율로 흉내 낸 것이고, 실제 대전은 빔 조건과 시간에 따라 변한다. 끊긴 콘택의 겉모양이 정상과 완전히 같다고 가정했다.)

전압 대비가 주는 단서는 전기적 불량의 위치를 인라인에서 알려 준다는 점이다. 전기적 단선과 단락은 원래 웨이퍼 테스트(8장)에 가서야 드러난다. 콘택 공정에서 웨이퍼 테스트까지는 몇 주가 걸린다. 전압 대비는 그 층을 만든 직후에, 그것도 다이 안의 좌표와 함께 알려 준다. 못 주는 단서도 분명하다. 끊겼다는 사실만 알 뿐 왜 끊겼는지는 모른다. 바닥의 잔막인지, 텅스텐이 덜 찬 것인지, 아래 접합의 문제인지는 단면을 봐야 한다(FailureBook의 영역). 또 그 도체가 아래로 접지까지 이어지는 층에서만 쓸 수 있다. 위층 배선으로 올라갈수록 연결이 복잡해져 어느 쪽이 정상 밝기인지부터 설계 정보로 따져야 한다.

전자빔 검사: 느리다는 것의 의미

전자빔 검사의 뼈대는 광학 검사와 같다. 다이의 같은 자리 영상을 이웃 다이와(또는 메모리 배열에서는 이웃 셀과) 비교해 차이가 문턱을 넘는 곳을 결함으로 보고한다. 다른 것은 영상을 만드는 방식이다. 광학은 넓은 시야를 한꺼번에 카메라로 찍지만, 전자빔은 가는 빔 하나가 화소를 하나씩 찍으며 지나간다. 검사 시간은 화소 수를 화소 속도로 나눈 값이다.

$$T = \frac{A}{p^{2}\, f\, N_b}, \qquad N_e = \frac{I_b}{e\,f}, \qquad \mathrm{SNR} \propto \sqrt{N_e}$$

$A$는 검사 면적, $p$는 화소 크기, $f$는 빔 하나의 화소 속도(1초에 찍는 화소 수), $N_b$는 빔 수. $N_e$는 화소 하나에 떨어지는 전자 수, $I_b$는 빔 전류. 전자가 낱개로 도착하므로 화소 값에는 $\sqrt{N_e}$의 산탄 잡음이 따라온다.

숫자를 넣어 보자. 화소 10 nm, 화소 속도 초당 1억 개(100 MHz급)로 1 cm²를 훑으면 화소는 10¹²개이고 시간은 10⁴초, 약 2.8시간이다. 300 mm 웨이퍼 전체(약 707 cm²)는 약 80일이 걸린다. 같은 웨이퍼를 명시야 광학 장비는 수십 분~1시간쯤에, 암시야는 몇 분에 끝낸다. 차이는 수백 배에서 수천 배 이상이다. 화소를 절반으로 줄이면 시간은 네 배가 된다.

빨리 찍는 것도 한계가 있다. 화소 속도를 올리면 화소당 전자 수가 줄어 잡음이 커진다. 전류 1 nA, 화소당 10 ns면 전자는 약 62개뿐이다. 전류를 올리면 전자는 늘지만 전자끼리의 반발과 렌즈 수차 때문에 빔이 굵어진다. 분해능, 잡음, 속도 셋 가운데 둘을 고르면 나머지가 정해진다. 5장에서 본 화소 크기·감도·처리량의 삼각관계가 전자빔에서는 훨씬 가파르다.

SIMULATOR

분해능 대 처리량

화소 크기 빔 전류 검사 면적(웨이퍼 대비)

빔 지름—

화소당 전자 수—

검사 시간—

명시야 광학 전면 대비—

10 nm 브리지—

해볼 것: ① 영상 가운데에 폭 약 10 nm의 브리지가 있다. 화소를 2 nm에서 32 nm까지 키워 보자. 화소가 결함보다 커지는 곳에서 브리지가 한 화소의 밝기 변화로 줄어들고 검출이 끊긴다. 그 사이 검사 시간은 256배 줄었다. ② 화소 6 nm에서 빔 전류를 0.05 nA로 내리면 전자가 화소당 서너 개뿐이라 영상이 잡음에 묻힌다. 20 nA로 올리면 잡음은 사라지지만 빔이 굵어져 선이 뭉개진다. 가운데 어딘가에 최적이 있다. ③ 검사 면적을 100%로 올려 막대를 보자. 단일 빔으로 웨이퍼 전면은 달·년 단위다. 면적을 0.1%로 줄이거나 빔을 100개로 늘려야 광학과 같은 시간대에 들어온다. (화소 속도 100 MHz, 빔 지름 = √(3² + 36·I[nA]) nm, 잡음 ∝ 1/√전자 수, 검출 판정은 결함 신호가 잡음(결함이 걸친 화소 수만큼 평균된 값)과 다이 간 패턴 편차를 합친 것의 5배를 넘는지로 한 교육용 모델. 광학 시간은 대표값이며 스테이지 이동·정렬 시간은 뺐다.)

그래서 어디를 볼지 고른다

전면 검사가 불가능하므로 전자빔 검사는 처음부터 표본이다. 표본을 고르는 방법이 곧 검사의 설계다.

핫스폿 검사(Hotspot inspection): 설계 데이터와 노광 시뮬레이션으로 공정 여유가 가장 작은 패턴 자리(핫스폿)를 미리 뽑아 그곳만 찍는다. 다이 면적의 1%도 안 되는 영역에서 계통 결함의 대부분을 잡을 수 있다. 무작위 파티클은 잡지 못한다. 그것은 광학의 몫이다.
면적 샘플링: 웨이퍼의 다이 일부, 다이 안의 띠 일부만 훑는다. 결함 밀도가 높을 때(전압 대비 결함처럼 수천 개씩 나올 때) 통하는 방법이다. 밀도가 낮으면 표본에 결함이 하나도 안 걸린다.
큰 화소의 전압 대비: 끊긴 콘택은 콘택 전체가 검게 빠지는 큰 신호다. 모양을 그릴 필요가 없으므로 화소를 수십 nm로 키우고 전류를 올려 빨리 훑는다. 형상 결함 검사보다 수십 배 넓은 면적을 볼 수 있다.
멀티빔(Multi-beam): 빔을 수 개에서 수백 개로 나눠 동시에 주사한다. 처리량은 빔 수에 비례한다. 빔 사이의 간섭과 검출기 분리가 과제다.

전자빔 검사가 꼭 필요해진 자리세 군데다. 첫째, 깊은 콘택·비아의 바닥처럼 겉에서 보이지 않는 전기적 결함(전압 대비). 둘째, EUV 노광의 확률적 결함처럼 크기가 10~20 nm인 미세 브리지와 빠진 콘택. 셋째, 광학 검사 레시피의 기준 잡기다. 광학이 놓치는 것이 무엇인지는 더 좋은 눈으로 같은 곳을 봐야만 알 수 있다.

리뷰 SEM: 좌표를 얼굴로 바꾼다

광학 검사가 내놓는 것은 좌표와 대략의 크기, 신호 세기뿐이다. 그 점이 파티클인지 브리지인지, 이번 공정에서 생겼는지 앞 층에서 올라왔는지, 아예 결함이 아닌 뉴슨스인지는 알 수 없다. 리뷰 SEM은 그 좌표로 스테이지를 옮겨 고배율 영상을 찍는다. 수율 분석의 흐름에서 검출과 분류(7장) 사이를 잇는 다리다.

문제는 좌표가 정확하지 않다는 것이다. 검사 장비와 리뷰 장비는 서로 다른 스테이지와 정렬 기준을 쓴다. 두 장비의 좌표계 사이에는 평행 이동·회전·배율의 계통 오차가 있고, 그 위에 결함마다 다른 무작위 오차가 얹힌다. 합치면 수 µm에 이르기도 한다. 찾으려는 결함은 수십 nm다. 그래서 리뷰는 두 단계로 한다.

리뷰의 두 단계. 먼저 좌표 오차(점선 원)를 덮을 만큼 넓은 시야로 찍어 이웃 다이의 같은 자리 영상과 비교해 결함을 다시 찾는다(재검출). 찾으면 그 자리를 중심으로 시야를 좁혀 분류에 쓸 영상을 찍는다. 시야가 넓을수록 결함이 들어올 확률은 높지만 결함이 차지하는 화소 수가 줄어 찾기 어려워진다.

좌표 오차가 x, y 방향으로 각각 표준편차 $\sigma$인 정규 분포를 따르고 계통 오차를 다 보정했다면, 한 변 $F$인 정사각형 시야에 결함이 들어올 확률은 다음과 같다.

$$P_{\text{in}} = \left[\operatorname{erf}\!\left(\frac{F}{2\sqrt{2}\,\sigma}\right)\right]^{2}$$

$\sigma$ = 1.5 µm일 때 시야 3 µm면 약 47%, 6 µm면 약 91%, 9 µm면 약 99%. 계통 오차가 남아 있으면 분포의 중심이 시야 중심에서 벗어나 확률이 더 떨어진다.

시야를 무작정 넓힐 수는 없다. 영상의 화소 수는 정해져 있으므로(예: 한 변 약 500~1,000화소) 시야를 두 배로 넓히면 결함은 절반 크기로 찍힌다. 자동 재검출이 잡음과 패턴 편차 사이에서 결함을 가려내려면 결함이 여러 화소에 걸쳐야 한다. 그래서 작은 결함일수록 좌표가 정확해야 한다. 좌표를 정확하게 만드는 표준 절차가 좌표 보정(Deskew)이다. 크고 뚜렷한 결함 몇 개를 먼저 찾아 두 장비 좌표계 사이의 이동·회전·배율을 맞춘 뒤 나머지 결함으로 간다.

SIMULATOR

리뷰 SEM 재검출

재검출 성공시야 안이지만 너무 작게 찍힘시야 밖시야(FOV)

좌표 무작위 오차 σ 탐색 시야 FOV 결함 크기 좌표 보정(계통 오차 제거)

리뷰한 결함—

재검출률(실측)—

재검출률(이론)—

결함이 차지하는 화소—

쓸 수 있는 최대 시야—

해볼 것: ① 기본값에서 "100개 리뷰"를 누른다. 점들이 시야 중심이 아니라 오른쪽 아래로 치우쳐 있다. 두 장비 좌표계 사이의 계통 오차다. "좌표 보정"을 켜고 다시 100개를 리뷰하면 같은 시야로 재검출률이 크게 오른다. ② 시야를 넓혀 가자. 들어올 확률(점선)은 계속 오르지만 약 5 µm를 넘으면 80 nm 결함이 8화소보다 작게 찍혀 재검출률(실선)이 0으로 떨어진다. 오른쪽 영상에서 결함이 점 하나로 줄어드는 것을 본다. ③ 결함 크기를 0.03 µm로 줄이면 쓸 수 있는 시야가 약 2 µm로 좁아진다. σ가 1.5 µm면 어떤 시야로도 절반을 넘기 어렵다. 좌표가 정확해야 작은 결함을 리뷰할 수 있다. ④ σ를 0.3 µm로 줄여 보자. 좁은 시야로도 거의 다 들어온다. (영상 한 변 512화소, 결함 지름이 8화소 이상이어야 재검출된다고 가정. 계통 오차는 (+1.8, −1.0) µm로 고정. 광학 검사가 잡았지만 SEM에는 원래 안 보이는 결함은 넣지 않았다.)

찍는 조건이 보이는 것을 바꾼다

조건	무엇이 달라지나	쓰는 곳
낮은 착지 에너지 (약 0.5~1 keV)	전자가 얕게 들어가 표면의 모양이 또렷하다. 대전과 손상이 적다	기본 조건. 파티클, 잔류물, 패턴 결함
높은 착지 에너지 (수 keV 이상)	전자가 깊이 들어가 막 아래의 금속·보이드가 비친다(BSE). 표면은 흐려진다	묻힌 결함, 앞 층에서 온 결함의 확인
후방 산란 전자 검출	원자 번호가 큰 물질이 밝다. 대전의 영향을 덜 받는다	금속 잔류물과 유기 잔류물의 구분, 깊은 구멍의 바닥
기울임·여러 방향 검출기	그림자가 생겨 볼록한지 오목한지 알 수 있다	파티클(볼록)과 피트·스크래치(오목)의 구분
EDX(특성 X선 분석)	결함의 원소 조성. 수 keV 이상의 빔이 필요하고 분석 부피가 커서 작은 결함은 아래층 신호가 섞인다	파티클의 출처 추적(장비 부품의 재질과 대조)

찾지 못한 것도 정보다광학 검사가 보고한 좌표에 가도 SEM에 아무것도 없을 때가 있다(SEM non-visual). 좌표가 틀렸을 수도 있지만, 광학에는 보이고 표면 SEM에는 원래 안 보이는 것일 수도 있다. 투명한 막 아래에 묻힌 앞 층의 결함, 막 두께의 국소 변화(색 차이), 아주 얇은 잔류막이 그렇다. 이런 결함의 비율이 높으면 리뷰 조건을 바꾸거나(높은 에너지) 광학 검사의 문턱을 다시 봐야 한다. 재검출률은 리뷰 장비의 성적이면서 광학 검사 레시피의 성적이기도 하다.

전자빔의 부작용

광학 검사는 웨이퍼에 흔적을 거의 남기지 않는다. 전자빔은 다르다. 전하와 에너지를 시료에 넣는 측정이므로 찍은 자리가 달라진다. 제품 웨이퍼를 검사하고 다시 라인에 넣어야 하는 인라인 장비에서는 이 부작용이 조건을 정한다.

대전(Charging): 전압 대비의 원천이지만 지나치면 독이다. 표면 전위가 빔을 휘어 영상이 일그러지고 한쪽으로 흐르며, 밝기가 주사 방향을 따라 번진다. 좌표가 밀리면 다이 대 다이 비교에서 거짓 검출이 쏟아진다. 얇은 게이트 산화막에 이어진 도체가 대전되면 산화막에 전기장 스트레스가 걸릴 수도 있다. 낮은 착지 에너지, 작은 전류, 빠른 주사, 예비 주사로 다스린다.
감광막 수축(Resist shrinkage): 전자를 맞은 감광막은 화학 결합이 끊기고 부피가 줄어든다. ArF·EUV 감광막의 선폭은 한 번 찍을 때마다 수 nm씩 가늘어질 수 있다. 현상 직후 감광막 패턴을 전자빔으로 넓게 검사하기 어려운 이유다. 그래서 감광막 단계의 검사는 주로 광학으로 하고, 전자빔은 식각 뒤의 단단한 패턴에서 쓴다.
오염(Contamination): 진공 속에 남은 탄화수소가 빔에 분해되어 찍은 자리에 탄소 막으로 쌓인다. 저배율로 물러나면 앞서 찍은 영역이 어두운 사각형으로 남아 있다. 선폭 측정값을 키우고 전압 대비의 밝기를 바꾼다.
막 손상: 저유전율 절연막은 전자빔에 수축·변질되기 쉽다. 높은 에너지의 빔은 게이트 산화막과 계면에 전하 트랩을 만들 수 있다.

증거를 훼손하지 않는 순서수사에서 지문을 뜨기 전에 물건을 만지지 않듯, 검사도 순서가 있다. 비파괴인 광학 검사를 먼저, 전자빔은 그다음에 하고, 같은 자리를 다시 찍는 횟수를 줄인다. 전압 대비 검사는 한 번 훑으면 대전 상태가 바뀌므로 같은 영역의 재검사 결과가 처음과 다를 수 있다는 것을 알고 읽는다. 조성 분석(EDX)처럼 센 빔이 필요한 측정은 맨 나중이다.

광학과 전자빔을 함께 쓴다

두 검사는 경쟁하지 않는다. 잡는 결함이 다르고 덮는 면적이 다르다. 광학은 웨이퍼 전체에서 무작위 결함의 밀도와 분포를 감시하고, 전자빔은 광학이 못 보는 종류를 좁은 면적에서 깊이 본다.

	암시야 광학	명시야 광학	전자빔 검사	리뷰 SEM
보는 신호	산란광	반사광의 차이	이차 전자(형상, 전압 대비)	이차·후방 산란 전자
분해능·화소	화소 약 0.1~1 µm급	분해능 약 0.1~0.2 µm	화소 약 수~수십 nm	분해능 약 1~수 nm
웨이퍼 전면 시간	몇 분	수십 분~1시간	몇 주 이상(단일 빔). 그래서 표본만	결함당 수 초
잘 잡는 것	파티클, 스크래치, 무패턴 면의 결함	패턴 결함, 잔류물, 색 변화	미세 브리지·단선, 끊긴 콘택·비아, 누설	(검출이 아니라 확인과 분류)
못 잡는 것	평평한 패턴 결함, 전기적 결함	분해능보다 훨씬 작은 결함, 전기적 결함	표본 밖의 모든 것, 밀도 낮은 무작위 결함	좌표가 없는 결함
웨이퍼에 주는 영향	거의 없음	거의 없음	대전, 감광막 수축, 오염	같음(국소)
내놓는 것	좌표, 크기, 신호 세기	좌표, 크기, 저배율 영상	좌표, 영상, 밝음/어두움 구분	고배율 영상, 조성

수율 분석가에게 중요한 것은 "검사에 안 잡혔다"와 "결함이 없다"를 구분하는 일이다. 광학 검사 기록이 깨끗하다는 것은 광학으로 보이는 결함이 늘지 않았다는 뜻일 뿐이다. 수율이 떨어졌는데 광학 결함 수가 그대로라면, 범인은 광학이 못 보는 종류일 수 있다. 그때 꺼내는 것이 전압 대비다. 아래 시뮬레이터는 사건 YB-12의 콘택 층을 두 장비로 본 결과다.

SIMULATOR

사건 YB-12: 콘택 층의 두 맵

전자빔으로 검사하는 다이 반지름 95 mm · 120 mm 표시

슬롯 1 결함 수—

슬롯 2 결함 수—

슬롯 2: 95~120 mm 띠 안의 비율—

전자빔 검사 시간(전 다이 대비)—

해볼 것: ① "암시야 광학"에서 두 웨이퍼를 비교한다. 결함 수도 분포도 비슷하다. 관리도에 찍으면 둘 다 평소 수준이고 경보는 울리지 않는다. ② "전자빔 전압 대비"로 바꾼다. 슬롯 1은 몇 개뿐인데 슬롯 2에는 고리 모양으로 어두운 콘택이 몰려 있다. 반지름 표시를 켜고 아래 그래프에서 봉우리의 위치를 읽자. 띠의 면적은 검사 영역의 약 25%인데 결함은 그보다 훨씬 많이 그 안에 있다. ③ 검사하는 다이를 25%, 10%, 5%로 줄여 보자. 검사 시간은 비례해서 줄고, 고리는 25%에서도 보이지만 5%에서는 그래프가 들쭉날쭉해진다. 무늬가 넓고 결함이 많을 때만 표본 검사가 통한다. (결함 좌표는 WM 엔진으로 만든 가상 데이터다. 광학 맵에는 무작위 결함과 뉴슨스만, 전압 대비 맵에는 끊긴 콘택만 그렸다. 광학은 항상 전면 검사다.)

CASE YB-12사건 파일 · 6장

빛으로는 멀쩡한 콘택

4장에서 손실이 계통적이라는 것을, 5장에서 M1 층의 결함이 샷의 한 자리에 쌓인다는 것을 알았다. 그런데 그것만으로는 약 10%p의 손실을 다 설명하지 못한다. 콘택 층의 암시야 검사는 이상이 없었다. 광학으로 보이지 않는 결함이 있는지 확인하려고, 보관해 둔 같은 로트의 웨이퍼 두 장(슬롯 1과 슬롯 2)의 콘택 층에 전압 대비 검사를 추가로 돌렸다.

결과는 두 장이 달랐다. 슬롯 2 웨이퍼에서는 반지름 약 95~120 mm의 띠에 어두운 콘택, 곧 기판으로 이어지지 않은 콘택이 몰려 있다. 슬롯 1 웨이퍼는 깨끗하다. 어두운 콘택은 위에서 본 모양과 크기가 정상이어서 광학 검사의 다이 대 다이 비교에 차이를 만들지 못했다. 광학 검사가 틀린 것이 아니라, 광학이 볼 수 없는 종류였다.

얻은 단서콘택 층에 전기적 단선이 있다. 웨이퍼 중심이 아니라 반지름 약 95~120 mm의 고리에 몰려 있고, 두 장 가운데 한 장에만 있다.

아직 모르는 것콘택이 왜 끊겼는가. 나머지 23장은 어느 쪽인가. 이 결함이 실제로 다이를 죽이는가. M1의 쌓이는 결함과는 무슨 관계인가.

다음 단계리뷰 SEM으로 두 결함의 얼굴을 찍고 종류를 가른다(7장).

핵심 정리

전자의 파장은 1 kV에서 약 0.04 nm로 매우 짧지만, SEM의 분해능(약 1~수 nm)은 렌즈 수차와 빔 전류, 시료 안에서의 퍼짐이 정한다. 그래도 광학보다 50~100배 가늘다.
이차 전자는 에너지가 낮아 표면 수 nm에서만 나온다. 그래서 표면의 모양과 표면 전위에 민감하다. 후방 산란 전자는 재질과 깊은 곳을 본다.
전압 대비는 빔이 만든 대전으로 도체의 연결 상태를 본다. 양 대전 조건에서 접지로 이어진 콘택은 밝고 끊긴 콘택은 어둡다. 어두운 결함은 단선, 밝은 결함은 단락·누설이다.
전압 대비는 겉모양이 정상인 전기적 결함을 그 층을 만든 직후에 좌표와 함께 알려 준다. 왜 끊겼는지는 알려 주지 않는다.
전자빔 검사 시간은 $A/(p^2 f N_b)$다. 단일 빔으로 웨이퍼 전면은 주·달 단위여서 핫스폿, 면적 표본, 큰 화소의 전압 대비, 멀티빔으로 면적과 시간을 맞춘다.
리뷰 SEM은 광학 검사의 좌표로 가서 결함을 다시 찾고 고배율로 찍는다. 재검출률은 좌표 오차와 시야로 정해지며, 작은 결함일수록 좌표 보정이 중요하다.
전자빔은 대전·감광막 수축·오염·막 손상을 남긴다. 비파괴인 광학을 먼저 하고, 전자빔은 필요한 층과 면적에만 쓴다.
"검사에 안 잡혔다"는 "결함이 없다"가 아니다. 수율은 떨어졌는데 광학 결함 수가 그대로라면 광학이 못 보는 종류를 의심한다.

확인 퀴즈

양(+) 대전 조건의 전압 대비 검사에서, 기판으로 이어져야 하는 콘택 배열 가운데 몇 개가 어둡게 보인다. 가장 알맞은 해석은?

접지 경로가 있으면 빠져나간 전자가 채워져 밝게 유지된다. 끊긴 콘택은 양전위로 올라가 저에너지 이차 전자를 되돌려 어둡다. 단락은 반대로, 떠 있어야 할 것이 밝게 보이는 결함이다.

화소 10 nm로 다이의 1%를 검사하던 전자빔 레시피의 화소를 5 nm로 줄였다. 화소 속도와 검사 면적이 같다면 검사 시간은?

검사 시간은 화소 수 $A/p^2$에 비례한다. 화소가 절반이면 화소 수는 4배다. 같은 시간 안에 끝내려면 면적을 1/4로 줄이거나 빔 수를 늘려야 한다.

리뷰 SEM의 재검출률이 낮다. 로그를 보니 찾은 결함들이 모두 시야의 오른쪽 아래 구석에 몰려 있다. 먼저 할 일은?

한쪽으로 몰린 것은 무작위 오차가 아니라 계통 오차(이동·회전·배율)다. 좌표 보정으로 없앨 수 있고, 그러면 같은 시야로 더 많이 들어온다. 시야를 좁히면 오히려 더 많이 놓친다.

현상 직후의 감광막 패턴을 전자빔으로 넓게 검사하지 않는 주된 이유는?

감광막은 전자빔에 화학 결합이 끊기며 선폭이 수 nm씩 줄어든다. 검사가 제품을 바꾸는 셈이다. 그래서 감광막 단계는 주로 광학으로, 전자빔은 식각 뒤의 패턴에서 쓴다.