장비의 지문

무늬에서 공정 모듈로

수율 분석의 앞 단계는 "어디가 불량인가"를 다뤘다. 여기서부터는 "어느 장비가 그랬는가"를 다룬다. 한 제품은 수백 단계의 공정을 지나고 단계마다 같은 일을 하는 장비가 여러 대 있다. 모든 장비를 세워 놓고 조사할 수는 없으므로 무늬의 생김새로 먼저 공정 모듈(Process module), 곧 식각·증착·연마·노광·세정 같은 공정의 종류를 좁힌다.

근거는 단순하다. 장비는 웨이퍼 한 장 전체를 한꺼번에 다루고, 다루는 방식에는 기하학적 구조가 있다. 웨이퍼를 돌리는 장비는 회전축에 대해 대칭인 불균일만 남길 수 있다. 가스나 약액이 한쪽에서 들어와 반대쪽으로 빠지는 장비는 그 방향의 기울기를 남긴다. 노광기는 같은 필드를 스텝마다 되풀이하므로 샷 주기의 무늬를 남긴다(11장). 웨이퍼에 직접 닿는 부품은 닿은 자리에 점이나 선을 남긴다.

이렇게 장비나 공정의 구조에서 비롯해 같은 자리에 되풀이되는 무늬를 시그니처(Signature), 곧 지문이라 부른다. 지문을 읽을 때 보는 것은 네 가지다.

플라즈마 챔버: 식각과 증착

건식 식각과 플라즈마 증착(PECVD)은 구조가 닮았다. 웨이퍼 한 장을 정전척(ESC, Electrostatic chuck) 위에 정전기력으로 붙잡고, 위쪽 샤워헤드(Showerhead)의 수많은 구멍으로 가스를 뿌리고, 고주파 전력으로 플라즈마를 만든다. 반응 부산물은 아래나 옆의 배기구로 빠진다. 공정의 상세는 ProcessBook 식각 장에 있다. 여기서는 챔버의 어느 부분이 어떤 무늬를 만드는가만 본다.

세 가지 반지름 무늬의 출처

중심 무늬. 샤워헤드의 가스 분배 비율이나 플라즈마 밀도의 봉우리가 중심에 있으면 중심의 식각률(또는 증착 속도)이 가장자리와 달라진다. 가스가 중심에서 들어와 가장자리로 흐르면서 소모되는 것도 같은 방향의 차이를 만든다. 요즘 장비는 가스를 중심 구역과 가장자리 구역으로 나눠 비율을 조절하는데, 이 비율이 어긋나면 넓은 중심 무늬나 그 반대인 넓은 가장자리 무늬가 된다.

도넛. 식각 속도는 웨이퍼 온도에 민감하다. 그래서 정전척은 동심원 모양의 여러 온도 구역(Temperature zone)으로 나뉘어 구역마다 히터를 따로 조절하고, 웨이퍼 뒷면과 척 사이에는 헬륨을 채워 열을 전달한다. 한 구역의 히터, 온도 센서, 헬륨 압력에 문제가 생기면 그 구역 위의 고리만 온도가 달라진다. 고리의 안쪽·바깥쪽 반지름이 구역 경계와 맞으면 강한 단서다.

가장자리 고리. 웨이퍼 가장자리에서는 플라즈마와 웨이퍼 사이의 전기장 경계(시스)가 꺾인다. 이것을 펴 주는 부품이 웨이퍼를 둘러싼 포커스 링(Focus ring, edge ring)이다. 포커스 링은 플라즈마에 깎이는 소모품이어서, 사용 시간이 쌓여 높이가 낮아지면 가장자리 수 mm~십수 mm에서 이온이 비스듬히 들어오고 식각률과 패턴의 기울기가 달라진다. 가장자리 무늬가 장비 사용 시간에 따라 서서히 심해지고 부품 교체 뒤 사라진다면 포커스 링을 의심한다.

증착도 같은 방식으로 읽는다. 다만 증착의 불균일은 막 두께로 남고, 그 두께 차이가 불량이 되는 것은 대개 뒤 공정에서다. 두꺼운 곳은 뒤이은 식각에서 덜 열리고, 얇은 곳은 CMP에서 먼저 닳는다. 스퍼터링(PVD)은 타깃의 침식 자국과 웨이퍼–타깃 거리에 따라 중심과 가장자리의 두께와 단차 피복이 달라지고, 가장자리에서는 입사각이 기울어 구멍의 한쪽 벽만 얇아지는 비대칭이 생긴다. 한 층의 지문이 다음 공정을 거치며 다른 불량으로 바뀌어 나타나므로, 무늬를 처음 본 층이 곧 원인 층이라고 단정할 수 없다.

CMP: 압력 구역과 호 스크래치

화학적 기계적 연마(CMP)는 웨이퍼를 뒤집어 캐리어 헤드(Carrier head)에 붙이고, 슬러리가 흐르는 회전 패드에 눌러 문지른다. 제거 속도는 프레스턴 식을 따른다.

CMP의 반지름 무늬는 두 방향으로 나타난다. 너무 많이 갈린 곳은 구리 배선이 접시처럼 파이고(Dishing) 절연막까지 깎여(Erosion) 배선 저항이 오른다. 덜 갈린 곳은 배선 사이에 금속이 남아 이웃 배선을 잇는다. 같은 헤드에서 나온 무늬라도 한 구역은 저항 불량, 다른 구역은 단락 불량으로 빈이 갈릴 수 있다.

가장자리는 따로 본다. 패드는 탄성체여서 웨이퍼 끝에서 눌렸다가 되튀며 가장자리 수 mm~십수 mm의 압력을 흔든다. 리테이닝 링(Retaining ring)의 압력이 맞지 않거나 링이 닳으면 가장자리가 빨리 갈리거나 덜 갈린다. 리테이닝 링과 패드는 모두 소모품이므로 CMP의 가장자리 무늬도 사용 시간과 함께 움직인다.

CMP에는 중요한 특징이 하나 더 있다. 앞 공정이 남긴 두께 분포를 그대로 물려받는다는 것이다. 증착이 중심을 두껍게 쌓았는데 CMP가 고르게 갈면 중심에 막이 남는다. 그래서 실제로는 헤드의 구역 압력을 일부러 다르게 걸어 앞 공정의 지문을 지운다. 무늬가 CMP 뒤에 드러났더라도 원인은 증착일 수도, 그것을 보정하지 못한 CMP일 수도 있다.

스핀 공정: 도포 · 현상 · 세정

감광막 도포, 현상, 매엽식 세정은 모두 웨이퍼를 돌리면서 중심 위의 노즐에서 액체를 뿌린다. 액체는 원심력으로 바깥으로 밀려 나가며 얇은 막이 된다. 구조가 단순한 만큼 무늬의 출처도 뚜렷하다. 회전축, 노즐, 가장자리 세 곳이다.

중심 점. 노즐이 회전 중심에서 벗어나 있으면 액체는 바깥으로만 흐르므로 중심의 작은 원이 덜 젖는다. 감광막이 얇거나 비고, 현상액이 닿지 않고, 세정이 되지 않는다. 반대로 토출이 끝난 뒤 노즐에서 떨어진 방울은 중심 근처에 얼룩을 남긴다. 중심 한두 다이에서 끝나는 무늬는 플라즈마 챔버의 넓은 중심 무늬와 크기부터 다르다.

소용돌이와 방사 줄무늬. 액체는 바깥으로 흐르는 동안 웨이퍼와 함께 돌기 때문에 흐름의 자취가 나선이 된다. 회전이 너무 빠르면 바깥쪽에서 공기 흐름이 불안정해져 나선 모양의 두께 얼룩이 생긴다. 300 mm 웨이퍼의 가장자리에서는 약 2,000 rpm 근처부터 이 조건에 들어선다. 큰 웨이퍼일수록 회전 속도를 높이지 못하는 이유다. 표면에 붙은 파티클은 흐름을 가로막아 바깥쪽으로 꼬리를 끄는 혜성 모양 얼룩을 남긴다. 건조가 고르지 않으면 물 자국(Watermark)이 남는다.

가장자리. 도포 뒤에는 가장자리에 두껍게 쌓인 감광막을 용제로 녹여 낸다. 이것이 가장자리 비드 제거(EBR, Edge bead removal)이고 폭은 대개 1~수 mm다. EBR 폭이 넓어지면 가장 바깥 다이의 패턴이 사라진다. 웨이퍼가 척 중심에서 어긋나 놓이면 EBR 경계가 웨이퍼와 동심원이 되지 못해 한쪽만 깊이 먹는다. 가장자리 불량이 고리가 아니라 초승달이면 중심 정렬을 의심한다.

열처리 · 이온 주입 · 반송

남은 장비들은 반지름 무늬보다 점과 줄을 남긴다. 웨이퍼를 받치는 지지점, 빔이나 레이저가 훑는 방향, 로봇이 잡는 자리가 그대로 찍히기 때문이다.

열처리

매엽식 급속 열처리(RTP)는 램프 여러 구역으로 웨이퍼를 가열하면서 웨이퍼를 돌린다. 램프 구역의 균형이 어긋나면 동심원 무늬가, 회전이 멈추거나 느리면 램프 배열의 모양이 드러난다. 웨이퍼 가장자리는 열을 옆으로도 잃기 때문에 온도 조절이 가장 어렵고, 가장자리에서 안쪽으로 뻗는 결정 미끄러짐(Slip)은 지나친 온도 구배의 흔적이다. 여러 장을 한꺼번에 넣는 배치식 확산로는 무늬가 웨이퍼 안보다 웨이퍼 사이에 남는다. 보트의 위·아래 위치에 따라 온도와 가스 농도가 조금씩 달라 슬롯 순서대로 서서히 변하는 경향이 생기고, 웨이퍼가 보트의 지지 홈에 닿는 몇 군데는 가장자리의 정해진 각도에 점으로 남는다.

이온 주입

이온 주입기는 가는 빔을 한 방향으로 빠르게 흔들고 웨이퍼를 그와 직각으로 천천히 움직여 전면을 채운다. 주입 도중 빔 전류가 흔들리거나 빔이 잠깐 끊기면 그 순간 지나던 줄만 도즈가 달라져 스캔 줄무늬(Scan stripe)가 된다. 줄의 방향은 웨이퍼의 기계적 이동과 직각이므로 노치에 대해 정해진 각도다. 주입 불량은 문턱 전압 같은 소자 특성의 이동으로 나타나므로 빈 맵보다 파라메트릭 맵(8장)에서 먼저 보인다. 레이저 어닐처럼 좁은 띠를 이어 붙여 훑는 장비도 띠의 이음매에서 같은 종류의 줄을 남긴다.

반송과 접촉

웨이퍼는 공정 사이에 로봇 팔에 실려 수백 번 옮겨진다. 로봇의 끝(End effector)이나 카세트 홈에 웨이퍼가 긁히면 직선 스크래치가 생긴다. 로봇은 정해진 방향으로만 움직이므로 같은 로봇이 낸 스크래치는 방향이 같다. 스크래치의 각도와 길이가 웨이퍼마다 같으면 반송 기구, 장마다 다른 호라면 CMP를 본다.

접촉이 남기는 더 교묘한 흔적은 뒷면에 있다. 척, 핀, 로봇이 닿은 자리의 뒷면 파티클은 그 공정에서는 아무 일도 일으키지 않다가 다음 노광 공정에서 문제를 만든다. 노광기의 척 위에서 이물이 웨이퍼를 국소적으로 들어 올려 초점이 벗어난 점, 곧 핫스폿(Focus hot spot)이 된다. 불량은 노광 층에서 보이지만 원인은 그 앞 장비의 접촉점이다. 핫스폿의 자리가 어느 장비의 핀이나 척 무늬(세 점, 동심 고리, 격자)와 겹치는지 대조하는 것이 수사 방법이다.

방향과 슬롯: 각도와 순서가 말해 주는 것

무늬의 모양이 공정의 종류를 좁힌다면, 무늬의 각도와 웨이퍼 사이의 순서는 장비의 구성을 좁힌다. 둘 다 맵 한 장에는 없고 여러 장을 나란히 놓아야 보이는 정보다.

노치 방향

장비는 웨이퍼를 받기 전에 노치를 찾아 정해진 각도로 맞춘다. 이 각도는 장비마다, 때로는 챔버마다 다르다. 맵은 늘 노치를 아래로 놓고 그리므로, 장비 안에서 "가스 입구 쪽"이던 방향은 맵에서 그 장비의 노치 각도만큼 돌아간 방향이 된다. 한쪽 치우침이나 세 점 무늬의 각도를 재서 장비의 노치 정렬 각도와 구조(가스 입구, 배기구, 슬릿 밸브, 핀 배치)에 맞춰 보면 후보가 줄어든다. 반대로 완전한 동심원 무늬는 각도 정보가 없다. 도넛은 어느 방향으로 넣어도 도넛이다.

병렬 챔버와 슬롯 주기

처리량을 높이려고 한 장비에 같은 일을 하는 챔버를 여러 개 달고 웨이퍼를 나눠 보내는 구성이 흔하다. 로트의 웨이퍼는 슬롯(Slot) 번호 순서대로 나오므로 챔버가 둘이면 홀수 슬롯과 짝수 슬롯이, 셋이면 세 장마다 같은 챔버로 간다. 한 챔버만 문제라면 무늬는 로트 안에서 그 주기로 나타난다.

웨이퍼 사이의 변화가 어떤 모양인가에 따라 의심할 구성이 달라진다.

무늬–장비 대응표와 그 한계

지금까지의 내용을 표로 모으면 아래와 같다. 첫 번째 후보는 그 무늬에서 가장 먼저 확인할 곳이고, 다른 후보는 같은 무늬를 만들 수 있는 나머지 공정이다. 마지막 열이 중요하다. 후보를 가르는 것은 무늬 자체가 아니라 무늬에 딸린 다른 정보다.

표에서 보듯 한 무늬에 후보가 여럿이다. 도넛 하나만 놓고는 식각의 정전척인지 CMP의 헤드인지 가를 수 없다. 반대로 한 원인이 여러 무늬를 만들기도 한다. 가스 분배가 어긋나면 중심과 가장자리가 함께 나빠진다. 그래서 지문 분석은 다음 순서로 다른 증거와 묶어야 결론이 된다.

1. 층을 좁힌다. 인라인 검사에서 무늬가 처음 보인 공정 단계가 어디인가. 그 앞의 검사에서는 깨끗했는가(7장의 층간 추적). 결함의 종류가 그 공정이 만들 수 있는 것인가.
2. 치수를 맞춘다. 고리의 반지름과 폭, 점 사이 각도, 줄 간격을 후보 장비의 부품 치수와 대조한다.
3. 주기를 맞춘다. 웨이퍼 사이의 주기가 후보 장비의 챔버 수와 맞는가.
4. 기록으로 확인한다. 무늬가 있는 웨이퍼가 실제로 같은 챔버를 지났는가(13장).