현업 이상 분석

이상을 보려면 정상을 알아야 한다: 두 가지 판단 순서

이상 보고를 받은 세정 엔지니어가 가장 먼저 떠올리기 쉬운 처방은 "더 세게, 더 오래 씻자"다. 그런데 세정은 오염만 지우는 공정이 아니다. 1장에서 보았듯 세정에는 오염을 없애는 일, 의도한 막을 벗기는 일, 다음 공정이 원하는 표면을 만드는 일이 함께 들어 있고, 오염을 지우는 그 약액이 지켜야 할 막도 깎는다. 2007년 로드맵은 세정 한 단계에서 잃어도 되는 Si·산화막을 DRAM 1.5 Å, 로직(MPU·SoC) 0.5 Å로 잡았다. 1 Å는 0.1 nm다. 그래서 세정의 결과는 늘 두 숫자, 곧 얼마나 지웠나와 얼마나 지켰나로 판정되고, 이상 분석도 두 축을 함께 본다. 입자 수만 보고 세정 시간을 늘리면 입자는 그대로인데 막만 더 깎일 수 있다.

이상을 분석하려면 그 공정이 정상일 때 무엇을 하는지부터 알아야 한다. 처음 보는 세정 공정을 맡았을 때 이 책이 권하는 읽기 순서는 아래 여덟 단계다. 순서는 이 책의 정리이고, 각 칸의 내용은 앞 장들에서 다뤘다.

여덟 칸이 채워져 있으면 이상이 났을 때 "무엇이 정상에서 벗어났나"를 칸 단위로 물을 수 있다. 같은 입자 증가라도 2번 칸(지울 것을 못 지웠다)인지, 6번 칸(린스나 건조에서 새로 생겼다)인지, 1번 칸(이미 묻어 들어왔다)인지에 따라 대책이 정반대다. 2번이면 세정을 강화할 수도 있지만, 6번이면 세정을 강화할수록 나빠질 수 있고, 1번이면 세정이 아니라 앞 공정을 고쳐야 한다. 조건을 바꿀 때는 기대하는 효과와 함께 나빠질 수 있는 지표, 그리고 그것을 확인할 데이터를 같이 적어 둔다.

이상이 났을 때의 여섯 단계

정상을 읽었다면 이상을 다룰 차례다. 아래 그림은 이 시리즈의 다른 책(ETCH, PHOTO)과 같은 뼈대의 여섯 단계를 세정에 맞게 고친 것이다. 앞의 세 단계는 사실을 모으는 일이고, 뒤의 세 단계는 가설을 세우고 지우는 일이다. 앞 세 단계를 건너뛰고 바로 원인을 말하면 그 말을 확인할 방법도 함께 사라진다. "약액이 이상한 것 같다"는 말은 어떤 가설도 지우지 못한다.

1. 현상 정의. "입자가 늘었다"는 정의가 아니다. 무엇이(어떤 결함, 몇 nm 이상, 어떤 모양), 어디서(장비, 챔버나 약액조, 웨이퍼 위치, 패턴), 언제부터(어느 로트, 정비나 약액 교체 뒤 몇 장째), 얼마나(기준 대비 몇 개, 몇 %)를 숫자와 지도로 적는다. 예를 들면 이렇다(예시 문장). "매엽 장비 2호기의 4번 챔버, 지난주 PM에서 사용점 필터를 바꾼 뒤부터. 패턴 없는 모니터 웨이퍼에서 같은 검사 레시피로 Adder가 평소 4개에서 13개로 늘었고 가장자리 10 mm 안에 몰린다. 같은 약액을 쓰는 1~3번 챔버는 평소와 같다." Adder는 한 단계를 지나며 새로 생긴 입자로, 4장에서 정의했다.
2. 범위 나누기. 장비, 챔버나 약액조, 약액 로트, 로트 안 웨이퍼 순서, 웨이퍼 위치(중심·가장자리·각도), 패턴과 막 종류로 나누어 어디에 국한되는지 본다.
3. 시간축 정렬. 웨이퍼 결과, 레시피와 실제 공정값(농도·온도·유량·회전), 약액조 교체와 보충, 필터·브러시 교체, PM, 알람, 대기 시간을 같은 시간축에 놓는다. 이상이 시작된 로트와 장비 기록이 바뀐 시점이 맞아야 선후를 따질 수 있다.
4. 가설 네 갈래. 공정(약액의 종류·농도·온도·시간, 물리력, 린스, 건조 순서), 장비(노즐·밸브·필터·척·컵·배기·히터·약액조·건조기·센서), 입고와 환경(앞 공정이 남긴 것, 막과 패턴, 대기 시간, 초순수와 공기), 계측(검사 레시피, 검출 크기, 가장자리 제외, 분류, 시료 채취)으로 동시에 세운다. 한 갈래만 세우면 나머지 갈래의 원인은 처음부터 놓친다.
5. 가르는 데이터. 결과가 어느 쪽으로 나와도 가설 하나가 지워지는 데이터를 고른다. 같은 웨이퍼 재검사, 의심 챔버만 지나게 한 모니터 웨이퍼, 조건을 나눈 분할 실험(7절), 부품 점검, 정상 기준과의 비교가 그 도구다. 싸고 빠른 확인부터 한다.
6. 복구와 재발 방지. 영향을 받은 로트를 묶고 시료를 보존한 뒤 회복을 판단하고(6절), 원인을 없앤 뒤에는 같은 이상을 더 일찍 잡도록 모니터 주기, 관리 한계, 부품 교체 기준, 대응 절차를 고친다.

세정은 발견 지점인가, 발생 지점인가

세정 뒤 검사에서 처음 보였다고 세정이 만든 결함은 아니다. 세정 전 검사 지도와 좌표를 맞춰 보면, 처리 전에도 있던 결함과 이번 단계에서 새로 생긴 Adder가 갈린다. 처리 전에도 있었다면 세정은 그것을 못 지운 것(제거의 문제)이고 원인은 앞 공정에 있다. 새로 생겼다면 세정 장비나 약액, 린스와 건조가 만든 것이다. 모양만으로 단정하지 않는 것도 중요하다. 웨이퍼마다 줄지어 선 광점이 긁힌 자국처럼 보였지만, 실제로는 고장 난 열교환기에서 NH₄OH로 새어 든 Cu가 원인이었던 양산 사례가 있다(2장 현업 노트).

범위를 나눈 결과는 원인 갈래를 가리킨다. 아래는 비교 결과를 원인 쪽으로 읽는 이 책의 정리다. 결론이 아니라 먼저 볼 곳을 정하는 경험칙이다.

• 여러 장비가 같은 날 같은 방향으로 변했다 → 장비 밖의 공통 원인. 초순수, 약액 공급, 클린룸 공기, 검사기를 먼저 본다. 초순수 속 Ca·Fe·Ni가 웨이퍼 문제를 만든 사례들은 그 금속을 10 ppt보다 훨씬 낮춰서 풀렸다.
• 한 챔버(한 약액조)만 변했고 그 챔버의 기록도 변했다 → 그 챔버의 부품, 노즐, 필터, 정비 상태. 장비사는 챔버 사이 식각 균일도 같은 '챔버 맞춤'을 사양으로 내건다.
• 특정 앞 공정을 거친 로트만 → 들어오는 상태. 세정은 발견 지점일 가능성이 크다.
• 특정 패턴이나 영역만 → 소수성·친수성이 섞인 표면이나 종횡비가 다른 영역의 경계처럼 구조가 만드는 차이.
• 처리한 장수나 약액 사용 시간을 따라 서서히 → 약액조·필터·브러시에 쌓이는 변화. 담금 세정에서는 웨이퍼가 들고 온 금속이 조의 금속을 정한다.
• 장비를 떠난 뒤의 시간을 따라 → 대기 중에 일어나는 반응(재산화, 부식). W CMP 뒤 세정을 기다리며 물 탱크에 머문 시간이 길어지자 빛이 부식을 일으킨 사례가 있다.

증상에서 원인과 확인 데이터로

세정에서 자주 만나는 증상마다 먼저 의심할 원인과 먼저 볼 데이터를 묶으면 아래 표가 된다. 후보의 묶음은 이 책의 정리이고, 인용은 그 메커니즘의 근거다. 각 증상은 3~5절에서 자세히 다룬다. 표는 출발점일 뿐이며 칸에 없는 원인이 진짜 원인일 수도 있다.

표를 하나로 묶어 손으로 짚어 보자. 아래 EXPLORE에서 증상을 고르면 네 갈래의 원인 후보가 나무처럼 펼쳐진다. 후보를 누르면 그 후보가 맞을 때 보일 모습(지문)과, 그 후보를 다른 후보와 가르는 데이터가 나온다.

근거: 밸브 작동과 사용점 필터의 입자 방출, 가장자리를 잡는 핀, Brush에서 떨어진 입자, SC-2의 재부착, 마른 SPM 잔류, 혼재 표면과 IPA 수분의 워터마크, 건조 분위기, 쓰러짐의 경계와 매엽 건조, '긁힘'처럼 보인 Cu, 초순수와 HF의 금속, SC-1의 금속 흡착, 점 오염과 평균, HF의 농도와 온도, 손상된 막과 깊은 구조, 쉬고 난 첫 웨이퍼, 광부식과 대기 시간, 거칠기, 약액 드리프트, 린스.

지도와 시간축: 원인이 남기는 지문

원인마다 웨이퍼 위에 남기는 무늬가 다르다. 이 장에서는 결함의 모양·크기·웨이퍼 위치·방향·반복을 묶은 특징을 결함 지문(Defect signature, 원인이 지도와 시간에 남기는 특유의 무늬)이라 부른다. 지문은 세 축으로 읽는다. 공간은 웨이퍼 위 어디에 몰리는가(중심, 고리, 가장자리의 같은 각도, 가장자리 띠, 한 방향의 줄)다. 시간은 언제 나타나고 어떻게 변하는가(정비 직후 많다가 줄어드는가, 장수가 쌓일수록 느는가, 쉬고 난 첫 장에만 있는가)다. 경로는 어느 장비·챔버·약액조·건조기를 지난 웨이퍼에만 있는가다. 세 축이 한 점에서 만나는 후보가 남는다.

공개 자료에 나온 메커니즘을 무늬별로 모으면 아래 표가 된다.

표의 무늬를 직접 만들어 보자. 아래 SIMULATOR는 원인 하나를 골라 세기를 올리면 한 장의 지도, 같은 원인으로 처리한 25장을 겹친 지도, 그리고 웨이퍼마다의 Adder 관리도가 어떻게 달라지는지 보여 준다. 「다음 웨이퍼」를 눌러 넘기며 보자. 한 장만 보면 놓치는 무늬가 있다.

모델이 흉내 낸 근거: 밸브 작동마다의 입자와 사용점 필터의 입자 방출, 가장자리를 잡는 핀, 매엽 Marangoni 건조에서 증발로 마르는 중심과 가장자리, 가장자리 막의 박리, 웨이퍼의 절반 넘게 나타난 중력 방향의 줄, Poisson 개수와 c 관리도의 c ± 3√c.

지도를 얻는 법: 모니터 웨이퍼와 결함 리뷰

지문을 읽으려면 깨끗한 지도가 필요하다. 제품 웨이퍼의 지도에는 패턴과 앞 공정의 결함이 섞여 있어서, 장비가 더한 것만 보려면 패턴 없는 모니터 웨이퍼를 의심하는 챔버 하나에만 통과시켜 전후를 잰다. 검사 장비사 KLA는 모든 공정 장비를 단계마다 패턴 없는 웨이퍼 검사로 적격 판정하고, 가장 나쁜 장비('Dog tool')부터 차례로 고쳐 모든 장비가 최소 기준을 넘게 하는 방식을 소개한다. 뒷면은 제품 상태로 잴 수 없으므로 앞면을 아래로 해 통과시키고 연마된 면을 검사한다.

검사가 남긴 좌표는 결함 리뷰로 이어진다. 리뷰 SEM이 좌표로 결함을 다시 찾아 영상을 찍고(ADR) 자동 분류(ADC)해 수율 분석 시스템으로 보내며, 분류가 빠를수록 이탈에 빨리 대응한다. 성분은 출처의 지문이다. SEM에 붙인 EDS는 B부터 U까지의 원소를 0.1~1 at% 수준까지 보지만 SEM에서의 분석 깊이가 0.1~3 µm에 이른다. 수십 nm 입자를 재면 아래 웨이퍼의 신호가 대부분을 차지한다는 뜻이다(해석). IRDS도 100 nm보다 작은 입자의 조성·구조 정보를 앞으로 풀 과제로 꼽는다. 그래서 작은 입자의 출처는 성분보다 지문과 시간축과 분할 실험으로 좁히는 경우가 많다.

입자 증가와 흠집: 장비 부품에서 약액 순서까지

세정 뒤 입자가 늘었다면 출처는 크게 두 갈래다. 하나는 장비 부품이 입자를 직접 만들거나 옮기는 경우이고, 다른 하나는 약액과 공정 순서가 떼어 낸 입자를 다시 붙이거나 지워지지 않는 잔류물을 만드는 경우다. 앞의 것은 대개 한 장비나 한 챔버에 국한되고 지도에 자리의 무늬를 남긴다. 뒤의 것은 그 순서를 쓰는 모든 장비에서 나타나고 특정 조나 단계 사이의 사건(대기, 건조)을 따라간다. 아래 표는 매엽·배치 세정 장비의 부품마다 하는 일, 망가지거나 바뀔 때 생기는 일, 그때의 지문과 확인 방법을 묶은 것이다. 챔버와 약액조의 구조는 6장에서 자세히 다룬다.

약액과 순서가 만드는 Adder

장비가 멀쩡해도 순서가 입자를 늘릴 수 있다. 첫째, 산성 약액에서의 재부착이다. SC-2의 pH는 약 1.3이고, 배치 조의 SC-1에서 떠오른 입자가 pH 4 아래에서 커지는 제타 전위 효과로 웨이퍼에 강하게 다시 붙으며 질화막에서 두드러진다는 보고가 있다. 이 경우 Adder는 특정 조를 지난 뒤에만 늘고, 막 종류에 따라 다르다. 원리는 3장에서 다뤘다.

둘째, 단계 사이에 마른 잔류물이다. ACM Research의 시험에서 SPM과 QDR 뒤 웨이퍼를 말려 3시간 두자 40 nm 이상 입자가 297~331개 늘었고, SC-1만 다시 해도 117~130개가 남았다. 젖은 채 이어서 처리한 웨이퍼는 오히려 1~9개 줄었다(장비사 자료). 계산하면 SC-1만으로는 늘어난 입자의 약 60%만 지워진 셈이다. 마른 잔류물은 같은 세정을 한 번 더 하는 것으로 되돌릴 수 없다는 뜻이고, 6절의 회복 세정에서 다시 나온다. CMP 슬러리 입자도 처음에는 수소 결합으로 붙었다가 수분과 시간이 지나며 화학 반응으로 굳는다. 두 경우 모두 Adder는 장비보다 단계 사이의 시간과 건조 여부를 따라간다.

셋째, 물리력의 창을 넘은 경우다. Megasonic이나 이류체 분무의 세기를 올리면 입자는 더 떨어지지만 패턴 손상도 함께 는다. IMEC의 장비 비교에서는 출력을 낮추면 좁은 선의 손상과 함께 제거율도 떨어져 높은 제거율과 낮은 손상을 함께 얻은 장비가 없었다. 이때 검사에서 늘어난 '입자'는 떨어져 나간 선 조각일 수 있다. 제거와 손상의 창은 4장에서 다뤘다.

흠집은 방향과 접촉점과 세정 전 지도로 가른다

흠집(Scratch)은 Brush와 웨이퍼 사이에 끼인 단단한 입자, 반송 중의 접촉, 그리고 앞 CMP 공정에서 생길 수 있다. 세정 장비 뒤 검사에서 발견되었다는 이유만으로 세정을 원인으로 단정하지 않는다. 세 가지를 맞춰 본다(이 책의 정리). 방향: 웨이퍼 회전 방향의 호인가, 한 방향의 직선인가. 위치: 로봇 핸드나 척 핀이 닿는 자리와 겹치는가. 시점: 세정 전 검사 지도에도 있었는가. 세정 전에도 있었다면 원인은 앞 공정이다. CMP에서 생기는 흠집의 분석은 CMP 책 현업 이상 분석에서 다룬다.

그리고 흠집처럼 보이는 것이 늘 흠집은 아니다. 앞에서 본 '직선 긁힘'은 웨이퍼의 절반 넘게 중력 방향으로 광점이 네 개 이상 줄지어 선 결함이었고, 실제 원인은 약액 속 Cu였다. 열교환기를 고치자 NH₄OH의 Cu가 정상으로 돌아왔고 줄무늬도 사라졌으며 표면 Cu는 TXRF 검출 한계 가까이 떨어졌다. 줄무늬 지도에 표면 금속 분석과 하드웨어 사건 이력을 함께 겹쳐 보는 습관이 이런 오진을 막는다.

얼룩과 쓰러짐: 건조가 남긴 결함 가르기

린스와 건조는 세정의 마지막 단계라서, 앞 단계의 문제와 건조 자체의 문제가 같은 검사 지도에 함께 찍힌다. 얼룩, 쓰러짐, 흠집, 잔사, 부식은 광학 검사에서 비슷한 점으로 보일 수 있다. 결함의 모양으로 가설을 세우되, 발생 시점·위치·장비 이력과 재현 실험으로 원인을 좁힌다. 아래 표는 다섯 결함을 가르는 첫 단서를 이 책이 정리한 것이다.

워터마크: 같은 얼룩, 다른 출처

워터마크가 생기는 길은 5장에서 다뤘다. 여기서는 얼룩이 보고되었을 때 무엇으로 출처를 가르는지를 본다. 첫 단서는 어떤 웨이퍼에 생겼나다. Park과 Pas는 친수성 웨이퍼에서는 스핀 건조와 IPA 증기 건조 모두 워터마크가 없었고, 소수성 웨이퍼는 스핀 건조에서 많이 생기며 공기에 노출된 시간에 민감했으며, 소수성과 친수성 영역이 섞인 패턴 웨이퍼는 IPA 증기 건조에서도 워터마크가 생겼다고 보고했다. 그래서 같은 건조기를 지났는데 패턴 웨이퍼에만 얼룩이 있다면 건조기보다 표면의 혼재를, blanket 소수성 웨이퍼에도 있다면 건조 방식과 공기 노출을 먼저 본다.

두 번째 단서는 건조기의 상태다. Tohoku의 IPA 증기 건조기 연구에서 표면 청정도를 정한 것은 IPA의 물 함량, 온도 분포, 증기 속도였다. IPA에 물이 27,000 ppm이면 웨이퍼 가장자리에 얼룩이 생겼고, 2,000 ppm 위에서 결함이 늘기 시작해 5,000 ppm 위에서 급증했으며, 최적 조건은 물 1,000 ppm 미만과 증기 속도 5.0 cm/s였다. IPA를 보충한 뒤 날짜를 따라 가장자리 얼룩이 는다면 IPA 수분이 첫 후보다. 세 번째 단서는 얼룩의 모양이다. 습도가 낮으면 빨리 마르며 작은 고리를, 높으면 더 고른 원판을 남긴다. 네 번째는 물이다. 초순수의 실리카와 웨이퍼에서 녹아 나왔다가 다시 쌓이는 실리카가 물 얼룩의 원천이므로, 여러 장비에서 함께 늘었다면 초순수 계통을 본다.

워터마크는 '줄이는' 결함이 아니라 '없애야 하는' 결함으로 다뤄져 왔다. ITRS 2011년판은 워터마크는 용납될 수 없다고 적고 로드맵 표에서 그 항목을 뺀 이유를 그렇게 설명한다. 장비사들도 워터마크 없는 건조를 사양으로 내건다. SCREEN은 매엽 세정기에 공기를 막는 건조 노즐(APN)을, KCTech는 배치 장비의 Hot IPA 건조에 'Water Mark Free'를 적는다(제조사 주장). 이런 기능이 있는 장비에서 얼룩이 생겼다면 그 기능이 실제로 작동했는지(노즐 위치, 기체 유량, IPA 상태)를 기록에서 확인하는 것이 장비 엔지니어의 첫 점검이다(해석).

패턴 쓰러짐: 어디서 먼저 무너지나

쓰러짐의 힘은 5장의 모세관 압력 \(\Delta P = 2\gamma\cos\theta/S\)다. 간격 45 nm의 SiO₂ 사이에서 물(γ = 72 mN/m, θ = 2.5°)은 3.2 MPa, IPA(γ = 22 mN/m, θ = 1°)는 0.98 MPa의 압력을 낸다. 그런데 선의 양쪽에 같은 높이의 액체가 있으면 양쪽 압력이 맞서 알짜 힘이 없다. 선이 쓰러지는 것은 한쪽만 젖어 있을 때다. Central Glass의 특허는 종횡비가 다른 영역 사이에서 남은 액체의 높이가 달라 힘이 고르지 않게 걸리는 것을 쓰러짐의 원인으로 든다. 그래서 쓰러짐 보고를 받으면 먼저 지도를 간격·종횡비·칩 안의 위치(배열의 가운데인가 끝인가, 영역의 경계인가)와 웨이퍼 위의 위치(중심인가 가장자리인가)에 겹친다. 매엽 Rotagoni 건조에서도 중심 근처와 가장자리 근처는 증발로 마르므로 웨이퍼 중심과 가장자리도 후보다.

다음은 건조 순서다. IPA로 치환되기 전에 물의 경계가 패턴을 지나가지 않았는지, 소수화 처리를 했다면 그 뒤의 접촉각이 제대로 나왔는지를 기록에서 확인한다. 장비사는 건조 때 기액 계면을 다스리고 챔버의 온도와 습도를 조절해 쓰러짐을 막는 기능을 내세우기도 한다(제조사 주장). 다만 고종횡비 구조의 건조 성능은 업계가 합의한 지표조차 없는 열린 문제로 남아 있다. 같은 높이·폭·간격의 선이 늘어선 배열에서 어느 선이 먼저 쓰러질지 먼저 예상해 보자.

근거: 모세관 압력과 물·IPA의 값, 영역 경계에서 남은 액체의 높이 차가 만드는 고르지 않은 힘, 린스액이 마르는 동안 일어나는 쓰러짐, Si의 탄성률(강의 자료의 학습용 상수).

금속·막 손실·부식·Haze: 약액과 물이 만드는 이상

입자는 지도에 자리의 무늬를 남기지만, 약액과 물이 만드는 이상은 대개 웨이퍼 전체에 고르게 퍼지거나 측정해야만 보인다. 표면 금속은 TXRF를 돌리기 전에는 보이지 않고, 막 손실은 두께를 재야 알며, 부식은 몇 시간 뒤에 나타나기도 한다. 그래서 이 절의 이상은 시간축과 약액·물의 분석값이 지도보다 더 많은 것을 말해 준다.

금속 오염이 튈 때: 네 개의 길

세정 뒤 표면 금속은 10¹⁰ atoms/cm² 아래로 억제해야 하는데, 초순수나 약액에 금속이 1 ppb만 있어도 표면에 10¹²~10¹³ atoms/cm²가 남는다. 그래서 마지막 단계의 초순수와 HF의 금속은 약 1 ppt 아래여야 한다. ppb의 1000분의 1인 ppt가 기준이라는 뜻이다. 금속이 웨이퍼에 오는 길을 네 갈래로 나누면 원인을 가르는 데이터가 정해진다(그림 3).

① 초순수와 HF. 로드맵은 초순수의 Ca·Fe·Ni가 웨이퍼 문제를 만든 세 사례가 그 금속을 10 ppt보다 훨씬 낮춰서 풀렸고, 한 사례는 0.5 ppt 아래가 필요했다고 적는다. 같은 초순수를 쓰는 모든 장비에서 같은 날 함께 늘었다면 이 갈래다. 초순수의 금속은 ICP-MS로 잰다. ② 조에 쌓인 금속. 불순물이 거의 없는 SC-1이라도 담금 세정 뒤 표면 금속은 웨이퍼가 용액에 들고 들어온 금속에 좌우되며 약액을 웨이퍼마다 버려도 그랬다. 조를 바꾼 뒤 장수를 따라 느는지 본다. ③ 약액과 부품. NH₄OH/H₂O₂ 비율을 낮추면 H₂O₂로 자란 화학 산화막에 Fe가 들어가 표면 Fe가 늘고, SC-1 속 Fe·Ni·Zn은 중성 수산화물 착물로 흡착한다. HF와 HF/HCl에서는 금속이 석출되기도 한다. 약액 계통의 부품이 새면 계단처럼 오른다. ④ 앞 공정과 가장자리. 도금 뒤 가장자리에 남은 PVD 금속은 벗겨져 입자가 되고 Cu라면 절연막으로 옮겨 갈 수 있다. 가장자리를 잡는 핀도 가장자리를 오염시킨다.

네 갈래를 가르는 데이터는 측정 방법의 성격에서 나온다. TXRF는 웨이퍼를 지도처럼 재지만, VPD-ICP-MS는 웨이퍼 전체를 녹여 모으므로 TXRF 지도에서 1×10¹⁰ atoms/cm²인 점 오염이 VPD로는 1×10⁸로 읽힐 수 있다. 점인지 고른지는 TXRF 지도로, 낮은 농도는 VPD로 본다. 앞면과 뒷면, Bevel을 나눠 재는 장비도 있다. 열처리를 거쳐 실리콘 속으로 들어간 Fe는 Fe–B 쌍을 끊기 전후의 확산 길이로 찾는다. 원리는 9장에서 다룬다.

막 손실 과다와 언더컷

막이 계획보다 많이 깎였다면 네 가지를 차례로 묻는다(이 책의 정리). 약액이 셌나? 열산화막의 식각 속도는 10:1~100:1 HF에서 HF 농도에 비례하고, HF는 쓸수록 약해진다. 완충 HF(BHF)를 쓰는 이유가 그 안정성이다. 농도를 재고 처리 시간을 보정하는 방식도 오래 쓰였는데, 보정 표가 오래 쓴 조를 기준으로 맞춰져 있다면 새 조로 바꾼 직후에는 과식각이 날 수 있다(해석, 8절 사건 6). 뜨거웠나? 진한 HF의 산화막 식각에서 겉보기 활성화 에너지는 0.29 eV다. 이 값으로 계산하면 25 °C에서 5 °C만 올라도 식각 속도는 약 1.2배가 된다(계산, 볼츠만 상수). 쉬는 동안 배관에 고인 약액의 온도가 바뀌어 첫 웨이퍼만 다르게 깎이는 일도 있다.

막이 약했나? 플라즈마로 손상된 Low-k는 묽은 HF에 깎이고, 묽은 HF는 Si₃N₄를 파먹으며(Recess), SC-1은 TiN 두께를 크게 줄였다. 질화막은 조성, 이온 주입 손상, 공정 온도에 따라 식각 속도가 크게 달라진다. 그래서 blanket 모니터는 정상인데 제품에서만 손실이 크다면 막 자체를 의심한다. 구조가 깊었나? 3D NAND의 질화막 제거에서 150~170 °C 인산의 질화막:산화막 선택비는 약 30이라 400 넘게 올려야 하고, 64~192층의 깊은 슬릿 바닥에서는 약액 교환이 나빠 부산물이 다시 산화물로 붙는다는 특허의 서술이 있다. 위와 아래의 손실이 다르면 이 갈래다. 회복 세정이나 재작업도 손실을 더한다. 로드맵은 SoC 공정에서 PR 벗기기가 12번 이상인데 그 수에 재작업으로 인한 것은 들어 있지 않다고 적는다.

Cu 부식: 빛과 시간과 약액

CMP 뒤 세정에서 Cu가 국부적으로 녹는 이상은 원인이 화학만이 아니다. IBM의 특허는 회로가 있는 웨이퍼에서만 국부 부식이 나타났고, 빛을 받은 PN 접합의 광기전력이 원인이며 BTA가 있어도 일어났다고 적고, 장비를 어둡게 가리는 대책을 낸다. 묽은 HF로 Post-CMP 세정한 패턴 웨이퍼에서 Cu의 석출과 식각이 나타났다가 BTA를 넣거나 빛을 없애면 사라졌다는 보고도 있다. 시간도 변수다. W CMP 뒤 물 탱크에서 세정을 기다린 웨이퍼의 W 플러그 부식은 대기 시간 분할로 확인되었고, 노란 조명은 허용 대기 시간을 늘렸지만 문제를 완전히 없애지는 못했다. CMP 뒤 대기 시간에 따른 TDDB 수명은 묽은 HF 세정에서는 10일까지, 유기산 세정에서는 4일까지 비슷했다. 배선 가장자리의 틈 부식(Crevice corrosion)은 TDDB를 떨어뜨렸다.

약액과 물도 본다. 세정액은 BTA를 지우면서도 Cu를 아주 조금만 깎도록(특허 청구 5 Å/min 미만) 만든다. 초순수의 용존 산소는 약 300 ppb에서 Cu 식각이 가장 크고, Cu가 드러난 환경에서는 산과 H₂S·황 화합물을 제한하며 습도가 높으면 부식이 늘어난다. 확인 데이터는 이렇게 고른다. 금속만 있는 시험 웨이퍼와 제품 웨이퍼를 비교하면 PN 접합(빛)의 몫이 갈리고, 빛을 가린 분할과 대기 시간 분할이 그다음이며, 세정액에 담근 전후의 면저항 변화가 Cu 손실을 간단히 보여 준다. 같은 주제를 METAL 책 현업 이상 분석의 PREDICT와 CMP 책 CMP 뒤 세정에서 이어 볼 수 있다.

Haze와 거칠기, 농도 드리프트, 린스 부족

Haze와 거칠기. CZ 웨이퍼의 표면 거칠기는 APM의 NH₄OH 비율과 함께 커지고 0.05:1:5에서는 처음 수준을 지켰다. 웨이퍼와 카세트에 묻어 넘어간 NH₄OH가 다음 뜨거운 초순수 조를 pH 8.0으로 만들어 더 거칠게 하므로, APM 직후 상온 초순수 헹굼이 이를 막는다. NH₄OH를 줄이면 거칠기는 줄지만 Fe가 늘어 0.25:1:5를 절충점으로 제안한 연구도 있다. 장비 쪽 원인으로는 H₂O₂ 분해가 있다. SC-1의 H₂O₂ 안정성은 ppb 미만의 금속에도 매우 민감하고, 분해로 생긴 산소 기포가 Si 표면을 가려 거칠기를 만들어 얇은 게이트 산화막을 해친다. APM 속 철 수산화물 응집체는 깊이 2~5 nm의 고리 모양 구덩이를 남기기도 한다. 물 쪽 원인도 있다. IRDS는 TOC를 없애는 UV 장치가 만든 초순수의 H₂O₂를 3 ppb로 잡는데, 10 ppb면 Epi 전 세정에서 표면이 거칠어질 수 있기 때문이다. Haze 지도와 표면 거칠기는 패턴 없는 웨이퍼 검사기로 함께 본다(제조사 자료). 다만 금속 오염이 없으면 거칠기만으로는 게이트 산화막 품질이 떨어지지 않았다는 반론도 있어, 거칠기와 금속을 함께 잰다.

농도 드리프트. 뜨거운 SC-1 조에서는 H₂O₂가 산소와 물로 빠르게 분해되고 NH₃가 높은 증기압으로 빠져나간다. 정해진 간격으로 보충하고 액위만 보면 실제 농도의 이탈을 알 수 없다. 뜨거운 인산에서는 물이 날아가면 질화막 식각은 느려지고 산화막 식각은 빨라져 선택비가 변한다. 공급 과정에서 과산화수소수와 암모니아수 자체의 조성이 바뀔 수 있다는 지적도 있다. 보충 기록, 농도 감시 추세, 모니터 식각량을 같은 시간축에 놓는다. 약액 수명과 보충 방식은 10장에서 다룬다.

린스 부족. 조의 비저항은 조 안 물의 평균만 본다. 깊은 구멍의 황산염은 흡착되었다가 천천히 빠지고, 차가운 린스 뒤 남은 층이 결정 입자가 되었다가 뜨거운 물로 지워진 사례가 있다. 매엽 장비에서는 물 유량, 회전 속도, 물 온도가 미세 구조의 린스를 바꾼다. Low-k 위 잔사 제거액이 막과는 잘 맞았지만 더 철저한 린스가 필요했다는 보고도 있다. 세정액에서 나온 암모니아·아민 증기가 PR을 망칠 수 있다는 특허의 지적처럼, 남은 약액은 옆 공정의 이상으로 나타나기도 한다. 린스 끝을 아는 법은 5장에서 다뤘다.

Trouble lot 분석과 Recovery clean

생산 중에는 입자 급증, 비정상 잔사, 약액 튐, 반송 사고처럼 웨이퍼가 정상 흐름에서 벗어나는 일이 생긴다. 이렇게 이상 공정·오염·장비 이력 때문에 멈춰 세운 로트를 현장에서는 Trouble lot(이상 때문에 정상 생산 흐름에서 잠시 보류한 로트를 가리키는 일반적인 말)이나 Hold lot이라 부르고, 추가 처리로 다시 공정에 쓸 수 있게 되돌리는 세정을 Recovery clean(회복 세정, 오염된 웨이퍼를 다시 쓸 수 있는 상태로 되돌리는 추가 세정)이나 Rework라 부른다. 이름과 승인 절차는 회사마다 다르다. 이 책이 찾은 공개 자료에는 회복 세정의 절차를 정해 둔 것이 없으므로, 이 절의 흐름은 앞 장들의 원리로 세운 교육용 틀이다.

오염된 로트를 받았을 때 첫 수가 "한 번 더 씻자"가 아닌 이유는 셋이다(이 책의 정리). 첫째, 증거가 사라진다. 다시 세정하면 잔사의 조성과 결함의 자리가 바뀌어 원래 무엇이 어디에 묻었는지 알 수 없게 된다. 둘째, 원인이 그대로 남는다. 오염원이 장비나 약액에 남아 있으면 회복 세정이 같은 오염을 다시 묻힌다. HF 속 Cu가 맨 Si에 석출되는 경우가 그렇다(3장). 셋째, 회복 세정도 막을 깎는다. 오염을 지우는 약액이 지켜야 할 막을 소모하고, 금속을 녹이며, HF 계열에서는 금속을 석출시키기도 한다. 로드맵이 PR 벗기기 횟수를 셀 때 재작업 몫을 따로 둔 것도 그 손실이 예산에 더해지기 때문이다. 오염의 정체를 모른 채 강한 산화·식각 약액을 쓰면 막 손실이나 부식을 새로 만들 수 있다.

첫 단계의 이름을 현장에서는 Containment(영향받은 웨이퍼·장비·시간 범위를 먼저 묶어 이상이 더 퍼지지 않게 하는 조치)라고 부르기도 한다. 이 단계가 가능하려면 로트·레시피·챔버·부품·약액·시간 이력이 서로 이어져 있어야 하는데, 이 상태를 Traceability(이력을 서로 이어 추적할 수 있는 상태)라 한다. 그 이력이 없으면 "같은 조건을 지난 다른 로트"를 찾을 수 없어 범위를 너무 좁게 묶거나 너무 넓게 묶게 된다.

원인 분리에서 가장 먼저 묻는 것은 1절의 질문, 곧 세정이 발견 지점인가 발생 지점인가다. 결함 지도와 영상, 드러난 막, 직전 공정, 대기 시간, 알람과 정비 이력으로 가설을 세우고, 앞뒤 공정의 엔지니어와 함께 확인한다. 회복 평가에서는 지울 것(입자, 잔사, 표면 금속)과 지킬 것(막 두께, 금속 배선, 표면 거칠기)을 각각 수치로 적고, 회복 조건을 먼저 모니터나 분할 웨이퍼에 써 본다. 이때 회복 전후만 비교하면 안 되고 정상 로트의 기준선과 비교한다. 회복 뒤 숫자가 좋아 보여도 대기 시간, 재산화, 접촉 저항, 이후의 열처리에 영향이 남을 수 있기 때문이다. 회복 세정은 웨이퍼를 깨끗하게 보이게 하는 일이 아니라, 후속 공정까지 포함해 쓸 수 있는 상태로 되돌리는 공학적 판단이다.

아래 CHALLENGE에서 세 로트를 처음부터 끝까지 다뤄 보자. 단계마다 가장 알맞은 행동을 고르고, 첫 로트에서는 시험 웨이퍼의 결과를 보고 회복 조건의 시간을 직접 정한다.

세 로트의 근거: 말린 SPM 잔류와 젖은 채 이어 처리하기, 표면 금속 10¹⁰ atoms/cm² 목표와 마지막 HF·초순수의 ppt 기준, 묽은 HF–H₂O₂가 상온에서 거칠기 없이 Cu를 없앤다는 결과, TXRF 지도와 VPD 평균, NH₄OH 비율과 거칠기, CMP 슬러리 입자가 시간과 수분으로 굳는다는 점, 빛과 PN 접합의 광부식과 차광, 대기 시간 분할, 대기 시간과 TDDB, Cu 식각이 작은 세정액, 면저항으로 본 금속 손실.

전후 비교와 조건 분할 실험

원인을 확인할 때도, 회복 조건이나 새 부품을 고를 때도 결국 비교가 필요하다. 그런데 결과는 웨이퍼마다, 챔버마다, 날마다 흔들린다. 조건을 바꾼 효과를 이 흔들림과 가르려면 같은 검사 기준으로, 반복해서, 다른 요인이 섞이지 않게 비교해야 한다. 이 절은 세정에서 쓰는 비교의 기본 도구를 정리한다.

가장 단순한 것은 짝지은 비교(Paired comparison, 같은 웨이퍼·같은 자리를 처리 전후로 비교해 개체 차이를 줄이는 방법)다. 웨이퍼마다 다른 처음 상태를 빼고 볼 수 있어 강력하지만, 측정 자체가 표면을 바꾸거나 같은 자리를 다시 찾기 어려울 수 있다. 그래서 처리하지 않은 대조 웨이퍼를 함께 두고, 정상 상태를 대표하는 기준선(Baseline, 정상 상태를 대표하는 비교 기준)과도 비교한다. 다음은 분할 실험(Split, 조건이나 처리 여부를 나눠 결과를 비교하는 실험)이다. 세정에서는 약액, 물리력, 린스, 건조의 영향이 서로 얽혀 있으므로 한 번에 한 갈래만 바꾼다. 약액과 건조를 동시에 바꾸면 결과가 좋아져도 무엇 덕분인지 알 수 없다. 인자 사이의 상호작용이 예상되면 DOE(Design of Experiments, 여러 인자와 상호작용을 체계적으로 평가하는 실험 설계)로 넓히고, 평균만이 아니라 지도와 분포를 비교한다.

세정에서 특히 조심할 것은 시간축이다. 약액조의 사용 시간, 필터와 Brush의 수명, 정비 뒤 유량·온도·센서의 변화, 대기 시간이 실험 도중에도 움직인다. 실험 순서가 이 이력과 겹치면, 조건의 효과와 시간의 효과가 섞인다. NIST의 실험 설계 자료는 관심 없는 요인(Nuisance factor)을 블록으로 묶어 그 영향을 나누는 블록 설계(Randomized block design)를 설명하며, 그 원칙을 "막을 수 있는 것은 블록으로, 막을 수 없는 것은 무작위로"라고 요약한다. 그림 4는 같은 웨이퍼 16장으로 할 수 있는 세 가지 배치를 비교한다.

숫자를 판단할 때는 흔들림의 크기를 먼저 안다. 웨이퍼 위 결함 수는 Poisson 분포를 따르고 평균과 분산이 같으며, 개수 관리도는 c ± 3√c를 한계로 쓴다. 그래서 웨이퍼 n장에서 잰 평균 Adder \(\bar c\)의 표준 오차는 \(\sqrt{\bar c/n}\)이고, 두 조건의 차이가 그 흔들림의 두 배쯤을 넘어야 우연이 아니라고 말할 수 있다(정규 근사로 계산). 평균 10개인 조건과 7개인 조건을 각각 8장씩 비교하면 차이 3개의 표준 오차가 약 1.5개라 겨우 경계에 걸리고, 24장씩이면 약 0.8개라 뚜렷해진다(계산).

두 가지 '유의'를 구분한다. 통계적으로 유의한 차이는 우연으로 보기 어렵다는 뜻이고, 소자에 중요한 차이는 수율과 신뢰성을 바꾼다는 뜻이다. 표본이 많으면 소자에 의미 없는 작은 차이도 통계적으로 유의해지고, 표본이 적으면 통계적으로는 약해도 큰 부식 구덩이 하나가 결정적일 수 있다. 관리도에서도 비슷한 구분이 있다. NIST는 관리 한계는 공정이 통계적으로 관리 상태인지(늘 같은 결과를 내는지)를, 규격 한계는 제품이 뜻한 대로 작동할지를 판단하는 데 쓴다고 구분한다. 관리 한계 안이어도 규격 밖일 수 있고 그 반대도 있다. 이상을 일찍 잡으려고 규칙을 늘리면 대가가 따른다. 3σ 규칙만 쓰면 평균 371점마다 한 번 거짓 경보가 나지만 WECO 규칙을 더하면 약 91.75점마다 난다.

아래 표는 1절의 사례를 이 절의 도구로 다시 본 것이다(학습용 상황). 정비 뒤 챔버 A의 입자만 늘었고 챔버 B는 이전 수준이다. 두 챔버가 같은 약액을 썼다는 이유로 약액을 완전히 배제할 수는 없지만, A의 정비 항목과 공급 경로를 먼저 비교할 근거가 된다.

설계가 결론을 어떻게 바꾸는지 직접 보자. 아래 SIMULATOR는 새 조건 B(예: 새 필터)가 Adder를 줄이는지 기존 A와 비교하는 실험이다. 모델 속에는 진짜 효과, 실험 도중의 드리프트(필터·약액이 낡아 Adder가 서서히 늚), 챔버 사이 차이, 그리고 B와 함께 바뀐 다른 조건이 들어 있다. 배치를 바꾸고 「200번 반복」을 눌러, 같은 설계를 여러 번 했을 때 결론이 얼마나 자주 맞는지 보자.

근거: Poisson 개수와 평균 = 분산, 블록과 무작위 배정의 원칙, 관리 한계와 규격 한계의 구분. 정비 뒤 챔버만의 입자 증가와 필터 안정화의 메커니즘은 2·3절.

자동 보정은 어디까지 맡길 수 있나

비교와 분할로 원인을 찾았다면, 그 지식을 매일의 관리로 옮기는 것이 10장의 SPC·FDC·APC다. 여기서는 이상 분석과 맞닿은 한 가지만 짚는다. Run-to-run(R2R) 제어는 런(배치, 로트, 웨이퍼 한 장) 사이에 레시피 값을 고치는 기법으로, 처리 전 측정(Feedforward)과 처리 뒤 측정(Feedback)을 쓴다. IRDS의 가상 계측 백서는 식각 속도나 증착 속도는 공정·센서 데이터로 예측하기 쉽지만 균일도, 입자 검출, CMP 흠집은 어렵다고 정리한다. 세정에 옮기면, 제거량이나 남은 막 두께처럼 속도에 가까운 양은 자동 보정에 비교적 맞고, 드물게 튀는 입자는 원인을 먼저 가려야 한다는 뜻이다(이 책의 해석). 입자 수가 늘었다고 세정 시간을 자동으로 늘리면, 입자가 남은 원인이 처리 부족이 아닐 때 막 손실과 손상만 키운다. 정비 직후처럼 갑자기 상태가 바뀐 경우를 따로 다루는 R2R 제어기도 연구되었다. 정비 전에 잰 값으로 정비 뒤 장비를 보정하지 않는 것도 같은 이유다.

협업, 사건 파일, 그리고 혼동하기 쉬운 판단

앞 절의 사건들은 대개 한 사람이 다 풀지 못한다. 1장에서 본 대로 세정 공정 엔지니어는 지울 것과 지킬 것과 최종 표면의 목표를 정하고 레시피와 관리 기준을 운영한다. 세정 장비 엔지니어는 펌프, 밸브, 노즐, 필터, 반송, 건조기, 센서가 레시피대로 반복해서 움직이게 지킨다. 이상의 원인은 대개 두 영역이 겹치는 곳에 있다. 그리고 세정은 공정 사이에 끼어 있어서 앞뒤 공정, 분석, 생산, 환경안전 담당과 정보를 주고받아야 한다. 아래 표는 이 책이 정리한 협업의 지도다. 실제 범위와 이름은 회사마다 다르다.

두 사람이 만나는 곳은 같은 시간축이다. 공정 엔지니어는 웨이퍼 결과, 계측, 입고 데이터를, 장비 엔지니어는 기록, 알람, 정비와 부품 이력을 가져와 한 장에 겹친다. 1절의 여섯 단계가 그대로 협업 절차가 된다. 그리고 처음 말을 꺼내는 방식이 조사 속도를 정한다.

사건 파일 여덟 건

이제 이 책 전체를 묶는 사건들을 풀어 보자. 여덟 사건은 공개된 논문, 학위 논문, 로드맵, 특허, 장비사 자료가 보고한 사례나 메커니즘을 바탕으로 만들었다. 각 사건의 그래프는 학습용으로 재구성한 데이터이며, 문헌의 그림을 옮긴 것이 아니라 문헌이 보고한 현상과 숫자를 바탕으로 경향을 그린 것이다. 먼저 가장 그럴듯한 원인을 고르고, 맞히면 원인을 확정할 다음 데이터를 고른다. 틀리면 왜 아닌지 힌트가 나오니 다시 고르면 된다. 두 단계를 모두 맞히면 근거의 설명이 나오고 확인 데이터가 그래프에 더해진다.

여덟 사건을 나란히 놓으면 실마리의 모양이 보인다. 아래는 사례를 묶어 이 책이 뽑은 경험칙이다. 문헌이 이런 꼴로 정리한 것은 아니므로 결론이 아니라 가설을 세우는 출발점으로만 쓰자.

• 정비·교체 같은 사건 뒤에 크게 벗어났다가 서서히 돌아온다 → 새 부품과 필터의 안정화. (사건 1)
• 쉬고 난 뒤 첫 장만 다르다 → 고여 있던 것(약액, 물, 공기)의 상태. (사건 2)
• 같은 장비를 지난 웨이퍼 가운데 특정 종류만 → 장비보다 그 웨이퍼의 표면이나 구조. (사건 3)
• 소모품을 채운 뒤 날짜를 따라 서서히 → 소모품(IPA, 약액, 필터)의 열화. (사건 4, 6)
• 여러 장비에서 같은 날 함께 → 공통 유틸리티(초순수, 약액 공급, 공기). (사건 5, 7)
• 장비를 떠난 뒤 시간이 지나 나타난다 → 남아 있던 것과 대기 중의 반응. (사건 8)

혼동하기 쉬운 판단

세정 조건은 강도나 시간만으로 정하지 않고 제거 목표와 보호 기준을 함께 만족하도록 정한다. 아래는 이상 분석과 개선에서 자주 엇갈리는 판단을 이 책이 정리한 것이다. 왼쪽의 말이 틀렸다기보다, 오른쪽 질문을 거치지 않으면 틀리기 쉽다.