막을 재는 법: 계측

무엇을 재야 하나: 질문에서 장비로

막 하나를 두고 던질 수 있는 질문은 여러 가지다. 얼마나 두꺼운가, 웨이퍼 전체에서 고른가, 빛을 얼마나 굴절시키는가, 어떤 결합으로 이루어졌고 수소가 얼마나 들었나, 웨이퍼를 얼마나 휘게 하나, 얼마나 치밀한가, 원하지 않는 원소가 섞이지 않았나, 전기를 얼마나 잘 막나, 좁은 틈 안에서도 고르게 쌓였나, 파티클은 없나. 질문마다 답하는 측정이 다르고, 한 장비가 모든 질문에 답하지는 못한다. 그래서 계측을 배울 때는 장비 이름보다 질문에서 출발하는 편이 낫다.

가장 기본이 되는 것은 두께와 그 균일도다. 균일도는 정의부터 짚어 두자. 웨이퍼 위 여러 점에서 두께를 재 평균 \(\bar{x}\)와 표준편차 \(s\)를 구하고, 그 비를 백분율로 쓴다. Infineon의 한 특허는 9점에서 잰 두께로 이 값을 계산하는 예를 든다.

측정을 고를 때는 세 가지를 따진다. 첫째, 그 측정이 무엇을 직접 재고 무엇을 계산으로 얻는가. 둘째, 웨이퍼를 그대로 두는가(비파괴), 막을 깎거나 웨이퍼를 잘라야 하는가(파괴). 셋째, 몇 초 만에 끝나 생산 웨이퍼에 쓸 수 있는가, 분석실에서 오래 걸리는가. 아래 지도에서 질문을 눌러 어떤 측정이 답하는지 보자.

지도의 근거: 광학 두께·굴절률, 균일도 정의, FTIR, 휨과 응력, XRR, XPS, SIMS, 식각 속도, C–V·I–V, 단면 TEM, 레이저 산란 검사와 리뷰 SEM.

지도를 몇 번 눌러 보면 경향이 보인다. 빛으로 재는 측정(반사율, Ellipsometry, FTIR)과 웨이퍼 모양 측정은 웨이퍼를 그대로 두고 짧은 시간에 끝나므로 생산 중에 자주 쓴다. 반면 원소와 깊이별 불순물(XPS, SIMS), 틈 안의 단면 모양(TEM)은 막을 깎거나 웨이퍼를 잘라야 답이 나온다. 정보가 많은 측정일수록 느리고 비싸다는 것이 이 장 전체에 걸친 이 책의 정리다. 2~5절은 앞쪽 무리를, 6~7절은 뒤쪽 무리를 다룬다.

빛의 간섭으로 두께 읽기

비눗방울이나 물 위의 기름막이 무지갯빛을 띠는 이유는 얇은 막의 윗면과 아랫면에서 반사한 빛이 서로 간섭하기 때문이다. 산화막이 덮인 웨이퍼가 두께에 따라 다른 색으로 보이는 것도 같은 현상이다. 빛으로 두께를 재는 방법은 모두 이 간섭에서 출발한다.

막 위에서 빛을 비추면 일부는 막 표면에서 바로 반사하고(①), 나머지는 막 안으로 들어가 막과 기판의 경계에서 반사한 뒤 다시 나온다(②). ②는 막 안을 한 번 왕복했으므로 수직 입사라면 ①보다 2nd만큼 긴 광경로를 지난다. 여기서 \(n\)은 막의 굴절률, \(d\)는 두께다. 또 빛은 굴절률이 더 큰 매질에서 반사할 때 위상이 180° 뒤집힌다. Si 위의 산화막이나 질화막은 공기 < 막 < Si 순서로 굴절률이 커지므로 두 반사 모두 위상이 뒤집히고, 결국 두 빛의 위상 차는 광경로 차 2nd만으로 정해진다. 반사 방지막과 같은 경우다. 2nd가 파장의 정수배이면 두 빛이 보강해 반사가 밝아지고(마루), 반 파장 어긋나면 상쇄해 어두워진다(골짜기).

정확한 반사율을 구하려면 막 안에서 여러 번 오가는 빛까지 모두 더해야 한다. 막을 양쪽에 거울이 있는 작은 공진기로 보고 반사파를 등비급수로 더하면 다음 식이 나온다. 제조사 설명처럼 절대 반사율은 두 경계의 Fresnel 계수와 막 두께가 정한다.

식이 말해 주는 것은 간단하다. 파장을 바꿔 가며 반사율을 그리면 위상 \(\varphi\)가 2π 돌 때마다 마루와 골짜기가 하나씩 나타난다. 막이 두꺼울수록 같은 파장 범위에서 \(\varphi\)가 더 많이 돌므로 줄무늬가 촘촘해진다. 이것이 반사율계(Spectroscopic reflectometer)의 원리다. 측정한 스펙트럼을 두께를 바꿔 가며 계산한 스펙트럼과 비교해 가장 잘 맞는 두께를 찾는다. Lasertec의 예시는 0~350 nm를 1 nm 간격으로 모두 계산해 비교한 끝에 300 nm를 찾았고, 이 방식이 1 µm보다 얇은 막에 효과적이며 막과 기판의 광학 상수를 입력으로 알아야 한다고 적었다. 먼저 예측부터 해 보자.

③과 ④가 다음 절의 출발점이다. 반사율은 파장마다 세기라는 숫자 하나만 준다. 굴절률을 모르면 같은 스펙트럼을 n과 d의 여러 조합이 설명할 수 있고, 아주 얇은 막은 스펙트럼을 거의 바꾸지 않아 신호가 작다(시뮬레이터에서 확인한 원리). 빛의 세기에 더해 위상 정보까지 쓰는 측정이 Ellipsometry다.

Ellipsometry: 편광으로 재고 모델로 푼다

빛은 진행 방향에 수직으로 진동하는 전기장이다. 웨이퍼에 비스듬히 비춘 빛의 전기장은 입사면에 나란한 성분(p)과 수직인 성분(s)으로 나눌 수 있는데, 두 성분은 Fresnel 식대로 서로 다르게 반사된다. 그래서 p와 s가 같은 위상으로 진동하는 선형 편광을 비추면, 반사된 빛은 두 성분의 크기와 위상이 달라져 전기장 끝이 타원을 그리는 타원 편광이 된다. Ellipsometry(엘립소메트리, 타원 편광 분석)는 이 편광 변화를 재는 측정이다. 바뀐 정도는 두 숫자로 쓴다. 진폭 비를 나타내는 Ψ(Psi)와 위상 차 Δ(Delta)다.

이 측정에는 세 가지 장점이 있다. 첫째, 두 성분의 비율을 재므로 광원의 세기가 흔들려도 영향이 작다. 둘째, 파장마다 숫자 두 개(Ψ, Δ)를 얻어 반사율보다 정보가 많다. 여러 입사각과 넓은 파장 범위에서 재는 VASE(Variable Angle Spectroscopic Ellipsometry)는 미지수가 많은 다층 막에서도 풀 거리를 늘린다. 셋째, p 성분의 반사는 Brewster 각에서 가장 작아지는데 그 근처에서 막의 특성에 가장 민감하다. 그래서 입사각을 시료의 Brewster 각 근처로 고른다. Si의 633 nm 굴절률 약 3.87로 Brewster 각 \(\arctan n\)을 계산하면 약 75°다.

대신 대가가 있다. Ψ와 Δ는 두께나 굴절률 그 자체가 아니라 그 값들의 함수다. 그래서 Ellipsometry는 간접 측정이다. 분석가는 시료의 광학 모델, 곧 층의 순서와 각 층의 n·k가 파장에 따라 어떻게 변하는지, 그리고 두께를 세운다. 그다음 계산한 Ψ, Δ가 측정값과 가장 잘 맞을 때까지 미지수를 바꾼다. 정확도는 주로 모델이 실제 시료를 얼마나 잘 그리느냐에 달려 있다. 분석 업체 EAG는 자기 장비의 반복도가 두께 0.1 nm, n·k 0.001보다 좋을 수 있다고 적었는데, 이것은 같은 모델로 같은 자리를 다시 쟀을 때 결과가 흔들리는 정도다. 모델이 틀렸다면 반복도가 아무리 좋아도 같은 오차가 매번 되풀이된다(원리에서 나온 해석).

모델 맞춤을 직접 해 보자. 아래 도전은 계산이 간단한 2절의 수직 입사 반사율로 하지만, 측정값과 모델을 견주어 미지수를 찾는 순서는 Ellipsometry와 같다. 맞은 정도는 GoF(Goodness of Fit)로 본다. Infineon의 양산 사례에서도 광학 두께 측정마다 GoF로 측정의 품질을 표시했다.

문제 2에서 굴절률을 2.00으로 둔 채 두께만 움직여 보자. GoF가 0.99를 넘는 두께가 따로 있다. 이 모델로 계산하면 굴절률을 0.05 낮게 가정할 때 두께는 약 2.6% 두껍게 나온다. 막이 얇을수록 스펙트럼에는 주로 n·d가 남고 n과 d가 따로 드러나지 않기 때문이다(시뮬레이터로 확인한 원리). Ellipsometry가 여러 각도와 Ψ, Δ 두 값을 함께 쓰는 이유가 여기에 있다. 계면에 얇은 층이 있거나 막의 위아래 조성이 다른데 모델이 이를 빠뜨려도 같은 일이 생긴다(원리에서 나온 해석).

FTIR로 결합 보기

원자 사이의 결합은 용수철처럼 고유한 진동수로 떤다. 적외선의 진동수가 결합의 진동수와 맞으면 그 빛이 흡수된다. 그래서 적외선 흡수 스펙트럼에서 봉우리의 위치는 어떤 결합이 있는지를, 봉우리의 넓이는 그 결합이 얼마나 많은지를 알려 준다(원리). 위치는 보통 파수(Wavenumber, cm⁻¹)로 쓴다. 1 cm 안에 파장이 몇 개 들어가는지를 센 값이라 파장의 역수이고, 클수록 에너지가 높다. FTIR(Fourier Transform Infrared spectroscopy)은 적외선 흡수 스펙트럼을 재는 장비이고, 이름의 FT는 간섭 신호를 Fourier 변환해 스펙트럼을 얻는다는 뜻이다. PerkinElmer의 응용 자료는 질화막이 덮인 8인치 웨이퍼를 그대로 투과 모드로 재고, 웨이퍼 전체를 자동으로 매핑하는 방법을 보여 준다.

PECVD 질화막에는 수소가 많다. 원료인 SiH₄와 NH₃에서 온 수소가 막에 남기 때문이다. Lanford와 Rand는 330~350 °C 플라즈마 질화막의 수소를 핵반응으로 절대 측정해 약 20~25 at.%를 얻었고, 그 약 3/4이 Si에 붙어 있었다. 이들은 Si–H(2160 cm⁻¹)와 N–H(3350 cm⁻¹) 흡수 띠의 보정 계수를 정해, 그 뒤로는 적외선 스펙트럼만으로 수소를 셀 수 있게 했다. 수소량은 막마다 크게 다르다. 상용 반응기 9종의 질화막은 4~39 at.%에 걸쳤고, 250 °C에서 수소를 10 at.% 아래로 낮춘 PECVD 공정도 보고되었다. 반사 방지용 질화막을 350, 400, 450 °C로 증착해 비교한 응용 사례에서는 온도가 오를수록 Si–H 밀도가 줄고 N–H 밀도는 거의 그대로였다.

봉우리 위치는 자료마다 조금씩 다르게 적힌다. Si–H 띠를 PerkinElmer는 2170 cm⁻¹, Shimadzu는 2180 cm⁻¹ 근처, Fujitsu의 특허는 2200 cm⁻¹로 적었다. 막과 측정 조건이 다르기 때문일 수 있으므로, 막끼리 비교할 때는 같은 띠 범위와 같은 기준선 처리를 쓰는 것이 원리에 맞다. 계산 순서는 PerkinElmer 자료가 Lanford–Rand 방식을 따라 정리한 것을 쓰면 된다.

이 식에서 두 가지를 눈여겨보자. 첫째, 넓이를 두께로 나눈다. 같은 막이라도 두꺼우면 봉우리가 커지므로 두께를 모르면 함량을 모른다. FTIR 결과가 2~3절의 광학 두께에 기대는 이유다. 둘째, 분모에 막 밀도가 들어간다. 밀도를 어떻게 가정하느냐에 따라 at.%가 달라진다. 3절에서 본 '모델의 가정' 문제가 여기에도 있다(원리에서 나온 해석).

산화막에서는 Si–O–Si 신축 진동 봉우리의 위치를 본다. Pai 등은 PECVD SiOₓ에서 이 진동수가 산소 함량에 비례해, 산소를 넣은 비정질 Si의 약 940 cm⁻¹에서 화학량론 SiO₂의 1075 cm⁻¹까지 움직인다고 보고했다. He로 희석하지 않고 키운 막에서는 SiN, NH, SiH 띠가 함께 보였고, He로 희석하면 이 띠들이 약해지며 Si–O–Si 진동수가 올라갔다. 350 °C, He 50% 조건에서 조성은 SiO₁.₉에 가까웠다. 그래서 봉우리가 1075 cm⁻¹보다 낮게 있거나 SiH·NH 띠가 함께 보이면 산소가 모자라거나 수소가 많은 산화막을 의심한다(원리에서 나온 해석).

봉우리 위치와 계산식의 근거: Si–H·N–H 띠, 보정 계수와 at.% 식, 예제 값, Si–O–Si 봉우리 위치와 조성.

응력: 웨이퍼 휨으로 재기

막은 기판 위에서 늘 조금씩 당기거나 밀고 있다. 증착 중에 원자가 쌓이는 방식 때문에 생기기도 하고, 높은 온도에서 쌓은 뒤 식으면서 막과 기판이 줄어드는 정도가 달라 생기기도 한다. 막이 줄어들려고 해서 기판을 당기면 인장 응력(Tensile stress), 늘어나려고 해서 기판을 밀면 압축 응력(Compressive stress)이다. 같은 PECVD 질화막도 조건에 따라 부호가 바뀐다. Iliescu 등의 정리에서 300 °C, 13.56 MHz로 만든 질화막은 120~150 MPa 인장이었고, 380 kHz로 만든 막은 강한 이온 충돌로 치밀해져 600~700 MPa 압축이었다. 응력이 지나치면 막이 깨지거나 벗겨진다. 1909년 Stoney는 두껍게 전착한 니켈 막이 벗겨지며 말리고, 약 0.01 mm보다 두꺼운 구리막도 벗겨지는 경향을 보고하며 이 문제를 다뤘다.

응력을 직접 잴 수는 없지만 그 결과는 보인다. 막이 기판 윗면을 당기면 웨이퍼는 가운데가 내려앉은 그릇 모양으로, 밀면 가운데가 솟은 우산 모양으로 휜다. 휜 정도에서 응력을 거꾸로 계산하는 식이 Stoney 식(Stoney equation)이다.

이 식의 좋은 점은 막의 탄성률을 몰라도 된다는 것이다. 기판의 E와 ν만 있으면 된다. 갓 쌓은 막의 물성은 대개 모르는 값이니 큰 장점이다. (100) Si 웨이퍼는 이축 탄성률이 면 안의 방향에 관계없이 같고, 그 값은 180.3 GPa다. 웨이퍼 두께는 300 mm가 775 µm, 200 mm가 725 µm가 대표값이다. 또 하나 중요한 점은 증착 전후의 곡률 차이를 쓴다는 것이다. 맨 웨이퍼도 처음부터 조금 휘어 있으므로 같은 웨이퍼를 증착 전에 한 번, 후에 한 번 잰다.

웨이퍼의 휜 정도는 곡률 반지름 대신 Bow(휨, 웨이퍼 가운데와 가장자리의 높이 차)로도 나타낸다. 지름 \(D\)인 웨이퍼가 반지름 \(R\)인 구면으로 휘면 \(B \approx D^2/(8R)\)이다(활꼴의 높이를 구하는 기하에서 나온 근사). 이 장은 Kubis 등의 표기처럼 그릇 모양(가운데가 낮음)을 +, 우산 모양(가운데가 높음)을 −로 쓴다. 감을 잡아 보자. 300 mm 웨이퍼(775 µm)에 100 MPa 인장막 1 µm를 쌓으면, 위 식과 \(E'_s\) = 180.3 GPa로 계산해 휨이 약 +62 µm 생긴다. 응력과 막 두께는 \(\sigma h\)로 묶여 들어가므로, 같은 휨을 만드는 데 응력이 두 배인 막은 절반 두께면 된다.

문제의 값: Si(001) 이축 탄성률, 웨이퍼 두께, 질화막 응력의 크기. 문제 3의 휨 한계 100 µm는 학습용으로 정한 값이며 실제 장비의 사양이 아니다.

휨이 노광을 흔드는 이유

휜 웨이퍼가 가장 먼저 문제 되는 공정은 노광이다. 노광 장비는 웨이퍼를 진공 척으로 빨아 평평하게 편 뒤 패턴을 찍는다. Brunner 등은 척에 물리지 않은 자유 웨이퍼의 모양을 재면 척이 웨이퍼를 펼 때 생기는 면내 변형과 연결할 수 있다고 정리했다. 원리는 두꺼운 책을 휘었다 펼 때 겉장과 속장이 서로 미끄러지는 것과 같다. 두께 \(H\)인 판이 기울기 \(dz/dx\)로 휘어 있다가 평평하게 펴지면, 윗면의 점은 가운데 면에 대해 약 \((H/2)\cdot dz/dx\)만큼 옆으로 움직인다(판의 휨에서 나온 근사). 앞 층의 패턴이 이만큼 옮겨진 자리에 다음 층을 겹쳐 찍으면 Overlay(층간 정렬) 오차가 된다.

다행히 이 이동의 큰 부분은 보정된다. 웨이퍼 전체가 고르게 휘면 기울기가 가장자리로 갈수록 일정하게 커지므로, 이동은 웨이퍼가 조금 커지거나 작아진 배율 변화처럼 보인다. KLA의 특허는 공정 전후 웨이퍼 모양 차이의 기울기로 overlay 오차를 예측하고, 노광 장비의 정렬 보정을 흉내 내는 선형 보정을 적용한다. Brunner 등은 고른 공정 응력은 쉽게 보정되지만 웨이퍼에 걸쳐 고르지 않은 응력은 흔히 보정할 수 없는 overlay 오차를 만든다고 적었고, Turner 등은 국부적인 모양 변화가 보정할 수 없는 overlay와 강하게 상관된다는 것을 보였다. 아래 애니메이션으로 이 차이를 확인해 보자.

응력은 증착 직후의 값으로 끝나지 않는다. 4절에서 본 것처럼 열처리로 수소가 빠지면 인장 응력이 커진다. 응력이 막을 떼어 내려는 힘도 계산할 수 있다. 막에 저장된 탄성 에너지 \(\sigma^2 h/E'\)가 계면의 파괴 에너지 \(G_{ic}\)보다 크면 계면 균열이 에너지 면에서 유리해진다. 응력이 크고, 막이 두껍고, 계면이 약할수록 떨어지기 쉽다. 응력이 제곱으로 들어가므로 응력이 두 배가 되면 떼어 내려는 에너지는 네 배다(식에서 나온 계산).

밀도·조성·식각 속도·전기 특성

XRR: X선으로 두께와 밀도를 함께

X선에 대한 물질의 굴절률은 1보다 아주 조금 작다. 그래서 X선을 표면에 거의 스치듯 비추면 어떤 각도 아래에서는 모두 반사된다(전반사). 이 임계각(Critical angle, \(\theta_c\))은 \(\theta_c = \sqrt{2\delta}\)이고, \(\delta\)는 X선 파장과 막의 밀도·조성으로 정해진다. 그래서 임계각에서 밀도를 얻는다. 임계각은 보통 0.2~0.5°다. 각도를 더 올리면 막의 윗면과 아랫면에서 반사한 X선이 간섭해 진동이 생기고(Kiessig 무늬), 막이 두꺼울수록 진동 주기가 짧다. 표면이 거칠면 반사율이 빨리 줄고, 계면이 거칠면 진동의 진폭이 줄어든다. XRR(X-ray Reflectivity)은 이렇게 한 곡선에서 두께, 밀도, 거칠기를 함께 얻는다. 결정이든 비정질이든, 가시광에 불투명한 막이든 잴 수 있고, 두께는 수 nm에서 1000 nm까지 다룬다. 2절의 빛 간섭과 원리가 같고 파장만 수천 배 짧다.

대가도 있다. 단층의 두께는 진동을 Fourier 변환해 바로 얻지만, 다층은 층 모델을 세워 비선형 최소제곱으로 맞춰야 하고 그 맞춤이 국소 최솟값에 빠질 수 있다. 3절에서 본 모델 맞춤의 문제가 X선에서도 그대로 나타난다. 또 0.2°로 0.05 mm 폭의 빔을 비추면 빔이 표면에 15 mm 길이로 퍼진다. 넓고 평평한 영역이 필요하다는 뜻이다(원리에서 나온 해석). 같은 조성이라면 \(\delta\)는 밀도에 비례하므로 임계각은 밀도의 제곱근을 따른다. 밀도가 10% 낮은 막은 임계각이 약 5% 작다(식에서 나온 계산).

XPS와 SIMS: 무엇이, 어느 깊이에

XPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy)는 단색 X선을 쪼여 튀어나온 광전자의 운동 에너지를 잰다. 원소뿐 아니라 그 원소의 화학 상태, 곧 어떤 결합과 산화 상태에 있는지까지 알려 준다. 분석 깊이는 표면에서 약 1~10 nm이고 검출 한계는 약 0.1~1 at.%다. 이온으로 표면을 깎아 가며 재면 수 µm 깊이까지 볼 수 있지만, 깎는 과정에서 보통 화학 상태 정보를 잃는다. 최소 분석 영역은 약 30 µm이고 시료는 초고진공에 넣을 수 있어야 한다.

SIMS(Secondary Ion Mass Spectrometry)는 O₂⁺나 Cs⁺ 일차 이온 빔(100 eV~15 keV)으로 막을 깎으며 튀어나온 이차 이온을 질량으로 가려 센다. 수소를 포함한 모든 원소를 검출하고, 감도는 ppma~ppba 수준, 농도 범위는 최대 7자릿수에 이른다. 박막의 조성과 오염의 깊이 분포, 계면의 오염이 대표적인 응용이다. 대신 정량에 표준 시료가 필요하고, 화학 결합 정보는 주지 않으며, 막을 깎아 내는 파괴 분석이다. 같은 자료는 XPS와 AES의 감도(약 0.1%)가 SIMS보다 크게 낮다고 적었다. 정리하면 막 표면과 계면의 조성과 결합 상태는 XPS가, 막 속에 남은 수소나 원료에서 온 미량 원소가 깊이에 따라 어떻게 분포하는지는 SIMS가 맡는다(이 책의 정리). 이온 주입 책(IMP Book)의 계측 장에서 도펀트 분포를 SIMS로 읽는 법을 더 자세히 다룬다.

표의 근거: XRR, XPS, SIMS, FTIR.

식각 속도: 가장 값싼 품질 지표

전기 특성: C–V와 I–V

절연막의 최종 임무는 전기를 막는 것이다. 막 위에 금속 전극을 올려 MOS 커패시터를 만들고 전압을 바꿔 가며 용량을 재는 C–V(Capacitance–Voltage) 측정은 여러 숫자를 준다. 강한 축적 영역의 용량 \(C_{ox}\)에서 산화막의 전기적 두께를, 곡선이 놓인 자리에서 평탄대 전압 \(V_{FB}\)와 막 속 유효 전하 \(Q_{eff}\)를 얻는다. 막 속의 움직이는 이온은 바이어스와 온도를 함께 걸어 잰다. 같은 장비로 전압을 올려 가며 전류를 재는 I–V 측정은 누설 전류와 절연 파괴를 본다.

절연 파괴 전계는 막 두께와 결함을 함께 드러낸다. Moradi 등이 50~300 nm PECVD 질화막을 시험했더니 150~300 nm 막은 약 7 MV/cm에서 파괴되었지만 같은 공정의 50 nm 막은 약 3 MV/cm에서 파괴되었고, 얇은 막의 조기 파괴는 바늘구멍(Pinhole)이 많은 것과 함께 나타났다. 수직 측벽 위에서는 누설과 신뢰성이 질화막의 step coverage에 따라 달라졌다. 평평한 곳의 측정만으로는 부족하다는 것을 전기 측정도 말해 준다. 다음 절의 주제다.

단면과 결함, 그리고 무엇을 얼마나 자주 잴까

지금까지 본 측정은 대부분 넓고 평평한 영역에서 잰다. 그런데 소자의 막은 트렌치의 바닥과 벽, 좁은 틈 안에도 쌓인다. 측벽에 쌓는 공정조차 수평면의 Ellipsometry로 관리해 온 경우가 많지만, 그 측정은 측벽 자체를 보지 못한다. 틈 안의 모양을 보려면 웨이퍼를 잘라 단면을 전자 현미경으로 봐야 한다. 자른 면을 주사 전자 현미경(SEM)으로 보거나, 시편을 얇게 깎아 전자를 통과시키는 투과 전자 현미경(TEM)으로 본다.

단면에서 가장 자주 계산하는 값은 Step coverage(단차 피복)다. 측벽이나 바닥의 두께를 윗면 두께로 나눈 비다. 자료에 따라 바닥/윗면을 쓰기도 하고 측벽/윗면을 쓰기도 하므로, 숫자를 말할 때는 어느 비인지 함께 말해야 한다(이 책의 정리). 단면 측정에는 분명한 한계가 있다. IBM의 특허는 conformality를 재는 단면 TEM이 필요한 10 Å 분해능에 겨우 미치고, 비싸고, 문제를 알기까지 오래 걸리며, 값이 작업자에 따라 달라진다고 적었다. 그래서 단면은 모든 웨이퍼가 아니라 조건을 바꿀 때나 문제가 생겼을 때 표본으로 본다(이 책의 정리). 연구에서는 단면을 깎지 않고 conformality를 분석하려고 길이 20~5000 µm, 높이 200~1000 nm로 종횡비 20:1~25,000:1을 만드는 수평 고종횡비 시험 구조도 쓴다. ALD Al₂O₃와 TiO₂로 시연되었다.

파티클과 결함 검사

증착 중의 파티클이 어디서 오는지는 11장에서 다루고, 여기서는 어떻게 세는지만 본다. 패턴이 없는 웨이퍼는 레이저를 쓸며 산란된 빛으로 검사한다. 장비는 빛점 결함(LPD, Light Point Defect)의 크기를 표준 폴리스티렌 라텍스(PSL) 입자가 산란하는 세기와 비교해 정한다. 그래서 LPD의 '크기'는 실제 크기가 아니라 같은 세기로 산란하는 PSL 입자의 크기다. 장비 모델마다 산란과 검출 방식이 다르고, 배경의 haze 신호에는 표면 거칠기뿐 아니라 투명한 막 안의 간섭이 함께 들어간다. 검출 한계를 65 nm 아래로 낮추면 국부적으로 높은 haze가 LPD로 잘못 잡혀, SEM으로 다시 보면 아무것도 없는 경우가 생긴다. Larson은 맨 실리콘 모니터 웨이퍼와 레이저 스캐닝이 장비 청정도를 감시하는 효과적인 방법이지만, 유전막 위에서는 haze 판독이 막의 국부 반사율을 따르므로 막마다 측정 조건을 맞춰야 한다고 적었다. 2절의 박막 간섭이 결함 검사에도 끼어드는 셈이다.

증착 장비의 청정도는 증착 전후 파티클 수의 차이, 곧 Adder(추가 파티클)로 볼 수 있다. 한 HDP-CVD 특허의 시험은 0.16 µm보다 큰 추가 파티클을 세어, 특허가 제조사 사양이라 부른 30개 이하와 비교했다. 크기 기준과 허용 개수는 막과 공정 세대에 따라 다르다. 검사 장비가 결함 좌표를 넘기면 리뷰 SEM이 그 자리를 다시 찾아 영상을 찍고, 자동 분류(ADC)로 종류를 나눈 뒤 엔지니어가 확인한다. 분류가 빠를수록 수율 이탈에 빨리 대응할 수 있다.

무엇을, 얼마나 자주 잴까

모든 웨이퍼를 모든 방법으로 잴 수는 없다. 그래서 현장의 계측은 층을 이룬다. 아래 표는 이 장의 측정을 빈도에 따라 정리한 것이다. 앞쪽일수록 빠르고 자주 재지만 보는 것이 좁고, 뒤쪽일수록 자세하지만 늦고 비싸다(이 책의 정리).

표의 근거: 표본 광학 측정과 가상 계측, R2R, 모니터 웨이퍼와 파티클, FTIR 매핑, 분석 기법, 전기 시험. 층의 구분은 이 책의 정리다.

11장은 이 표를 거꾸로 읽는다. 두께가 흐르거나, 응력이 바뀌거나, 파티클이 늘었을 때 어느 층의 데이터에서 먼저 신호가 보이는지, 원인을 가리려면 무엇을 더 재야 하는지를 증상에서 출발해 따라간다.