현업 이상 분석

이상이 났다: 판단 순서와 가설표

식각은 손잡이가 많은 공정이다. Williams와 Muller는 플라즈마 식각 속도를 바꾸는 요인으로 전력, 압력, 기체 유량, 온도, 막에 의한 표면 막힘, 경과 시간, 챔버 안의 재료, 챔버의 변화, 오염, 불순물, 막의 미세 구조, 응력, 드러난 면적, 구조의 형상까지 열네 가지를 꼽았다. 최신 식각 챔버에는 고를 수 있는 기체가 20가지쯤 있고 RF 발생기가 세 대까지 붙으며, RF와 기체를 펄스로 바꾸는 손잡이와 균일도 손잡이가 여럿이다. 양산 레시피 하나가 단계 수십 개로 이루어지고, 그 가운데 많은 단계가 여러 RF 전원을 펄스로 쓰기도 한다. 손잡이가 이렇게 많으니 증상 하나에 원인 하나가 짝지어지기를 기대하기 어렵다. 같은 증상이 여러 원인에서 나오고, 한 원인이 여러 증상을 낸다.

그래서 이상 분석은 순서를 정해 두고 밟는다. 아래 그림은 이 책이 정리한 여섯 단계다. 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. "장비가 이상한 것 같다"는 말은 어떤 가설도 지우지 못한다.

1. 현상 정의. "CD가 이상하다"는 정의가 아니다. 무엇이(어느 구조의 어떤 지표), 어디서(챔버, 웨이퍼 위치, 패턴), 언제부터(어느 로트, PM 뒤 몇 시간), 얼마나(기준 대비 몇 %) 변했는지를 숫자와 이미지로 적는다. 예를 들면 이렇다. "B 챔버, PM 뒤 RF 시간 3시간 안. 웨이퍼 가장자리 콘택의 Bottom CD가 기준보다 작아지고 바닥 잔막이 늘었다. 가운데 콘택의 Top CD는 정상이다. 압력은 설정값대로지만 APC 밸브 개도와 He 누설이 평소보다 높다." 이 문장 하나에 위치, 시간, 챔버, 구조, 변한 지표, 장비 단서가 다 들어 있다.
2. 범위 나누기. 챔버, 제품, 로트, 웨이퍼 순서, 웨이퍼 위치(중앙·가장자리·방위각), 패턴(밀집·고립, 홀 크기, 열린 면적)으로 나누어 어디에 국한되는지 본다.
3. 시간축 정렬. 웨이퍼 결과, 레시피 실제값, 장비 Trace, PM·RF 시간·계측 이력을 같은 시간축에 놓는다. 이상이 시작된 로트와 장비 신호가 바뀐 시점이 맞아야 선후 관계를 따질 수 있다. 시간축이 없으면 우연히 함께 움직인 두 값을 원인과 결과로 오해하기 쉽다.
4. 가설 네 갈래. 공정(화학·이온·수송·열), 장비(RF·기체·진공·척·부품), 입고(앞 공정의 막 두께, PR CD), 계측(측정 레시피, 패턴 인식, 시편 준비)으로 동시에 세운다. 한 갈래만 세우면 나머지 갈래의 원인을 처음부터 놓친다.
5. 가르는 데이터. 결과가 어느 쪽으로 나와도 가설 하나가 지워지는 데이터를 고른다. 같은 웨이퍼 재측정, 기준 웨이퍼, 챔버를 나눠 돌리기(split), 부품 점검, 안전한 범위의 실험이 그 도구다. 싸고 빠른 확인부터 한다.
6. 복구와 재발 방지. 원인을 없앤 뒤 다시 인증(Qualification, 정비·변경 뒤 장비나 공정이 기준을 만족하는지 확인해 생산 복귀를 허락하는 절차)하고, 같은 이상을 더 일찍 잡도록 SPC·FDC 한계, PM 기준, 보정 상한과 데이터 유효성 규칙을 고친다.

범위를 나누면 공정 문제와 장비 문제가 갈리기 시작한다. 아래는 비교 결과를 원인 쪽으로 읽는 이 책의 정리다.

• 여러 챔버가 같은 시점에 같은 방향으로 변했다 → 챔버 밖의 공통 원인. 입고 막, 노광, 계측, 공통 레시피 변경을 먼저 본다.
• 한 챔버만 변했고 그 챔버의 Trace도 변했다 → 하드웨어, 센서, PM 상태.
• 한 제품의 한 패턴에서만 변했다 → 패턴 로딩, 입고 CD와 막, 집적 조건. 같은 패턴이라도 깎이는 면적이 다른 두 웨이퍼 사이에서 공정이 이동한 일은 매크로 로딩의 현업 예로 소개된다. 로딩은 8장에서 다뤘다.
• 모든 제품에서 비슷한 CD 변화 → 공통 플라즈마 상태나 계측의 치우침.

가설표: 관찰에서 네 갈래로

자주 만나는 관찰마다 네 갈래의 후보와 먼저 볼 데이터를 표로 묶어 두면 시작이 빨라진다. 후보의 묶음은 이 책의 정리이고, 인용은 그 메커니즘의 근거다. 표는 출발점일 뿐이다. 칸에 없는 원인이 진짜 원인일 수도 있다.

불량 형상 빠른 찾아보기

단면에서 보이는 모양으로 먼저 의심할 균형을 고를 수도 있다. 형상이 생기는 원리는 8장과 10장에서 자세히 다뤘으므로 여기서는 찾아보기만 한다.

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

근거: 벽 상태와 재결합, 시즈닝과 컨디셔닝 웨이퍼, 전달 전력과 정합기, 밸브 제어, Focus ring과 가장자리 기울기, 배열 가장자리의 체계적 기울기, 고분자에 의한 식각 정지와 대전 감속, 열린 면적과 OES, 파티클의 출처, 디척과 He, 안테나 효과.

장비 Trace 읽기와 FDC

장비 Trace(Equipment trace, 공정 중 시간에 따라 기록한 압력·전력·유량·밸브 위치 같은 장비 신호)는 장비가 남기는 일기다. 웨이퍼 결과는 몇 장에 한 번 재지만 Trace는 모든 웨이퍼의 모든 단계에 남는다. 11장에서 본 FDC는 이 신호를 기준과 비교해 이상을 잡고 분류하는 체계다. Applied Materials의 아킹 검출 특허는 정합 회로를 거친 RF 주파수와 부하, 직류 바이어스 V_DC, 첨두 간 전압 V_pp, 순방향·반사 전력을 레시피 단계마다 과거 신호와 비교하고, 그 위에 경고 한계와 고장 한계(Warning limit / Fault limit, 알리기만 하는 기준과 장비를 세우는 기준)를 두는 방식을 기술한다. 신호를 읽으려면 먼저 각 신호가 정상일 때 무엇을 뜻하는지 알아야 한다.

장비를 볼 때는 세 층을 나눈다. 맨 위는 입력, 곧 레시피의 설정값(기체 유량, RF 설정, 압력, 온도, 시간)이다. 가운데는 장비 응답으로, 장비가 그 설정을 이루려고 실제로 한 일(전달·반사 전력, 정합 위치, 밸브 개도, He 압력과 누설, ESC 전압·전류)이다. 맨 아래는 웨이퍼 결과(식각률, CD, 프로파일, 깊이, 균일도, 결함)다. 설정값이 같아도 장비 응답이 다르면 실제 플라즈마가 다를 수 있다(7장). 이상 분석의 단서는 대개 가운데 층에 있다. 설정값은 사람이 넣은 숫자라 늘 같고, 웨이퍼 결과는 늦게 나오기 때문이다.

FDC 한계를 어디에 둘지는 공짜로 정해지지 않는다. 관리도는 보통 중심선 ±3σ에 관리 한계를 두고, 한계 밖의 점이나 비무작위 패턴을 이상의 신호로 읽는다. 그런데 공정은 결함이 없어도 드리프트하므로, 고정된 모델은 거짓 경보를 피하려 한계를 넓혀야 하고 그러면 작은 결함을 놓친다. 정비 뒤에는 조건이 갑자기 바뀌어 모델을 다시 맞춰야 한다. 시간 해상도도 문제다. TSMC의 특허에 나온 미세 아킹 신호는 약 1~100 µs 동안의 급등·급락이었다. 1초 단위로 평균한 기록에서는 이런 사건이 평균에 묻힌다(해석). 특허들이 따로 빠른 센서와 신호 패턴 비교를 쓰는 이유로 읽을 수 있다.

아래 SIMULATOR는 웨이퍼 한 장의 레시피(안정화 → Breakthrough → 주식각 → 과식각 → 디척)를 따라 압력, 밸브 개도, 반사 전력, He 누설을 그린다. 이상을 하나 골라 넣고 심각도를 올려 보자. 연한 띠는 단계마다 정상 웨이퍼들의 평균 ± (FDC 한계 × 웨이퍼 사이 표준편차)이고, 단계 평균이 띠를 벗어나면 빨간 경보가 붙는다.

모델이 흉내 낸 근거: 단계별 과거 신호와 경고·고장 한계, V_DC·반사 전력 감시, 1~100 µs 미세 아킹, 드리프트와 한계 폭의 득실, ±3σ 관리 한계, 전달 전력 = 순방향 − 반사, 정합기의 1~2초 정합과 커패시터 마모, 압력 센서를 읽고 판 위치로 컨덕턴스를 맞추는 밸브.

PM 뒤 드리프트와 RF 시간

11장에서 본 대로 챔버 벽은 웨이퍼와 함께 깎이고 덮인다. PM으로 벽을 닦고 부품을 바꾸면 챔버는 깨끗해지지만, 깨끗한 챔버가 곧 정상 챔버는 아니다. 레시피를 인증할 때 익숙했던 벽 상태와 다르기 때문이다. 양산 장비는 수천 장을 드리프트와 정지 없이 돌려야 하는데, 벽·척·Focus ring 같은 챔버 부품은 플라즈마에 소모되어 바꿔야 한다. 이 책은 플라즈마가 실제로 켜져 있던 시간을 더한 값을 RF 시간이라 부르고, 챔버와 부품이 플라즈마에 얼마나 노출되었는지를 나타내는 관리 축으로 쓴다. RF 시간 자체가 식각을 바꾸는 원인은 아니다. 같은 RF 시간이라도 어떤 기체와 제품을 돌렸는지, 전력과 온도가 어땠는지에 따라 벽 상태가 다르다. 그래서 RF 시간은 PM 종류와 바꾼 부품, 처리한 레시피의 구성, 웨이퍼 수와 세정·시즈닝 이력, 정합 위치·반사 전력·밸브 개도·챔버 온도, 모니터 웨이퍼의 식각률·CD·균일도와 함께 본다(이 책의 정리).

벽이 플라즈마를 바꾸는 길

벽 상태가 식각을 바꾸는 길은 여럿이다. 첫째는 재결합이다. Cl₂ ICP에서 식각 생성물이 남은 O₂와 반응해 벽을 얇은 실리콘 산염화물 막으로 덮으면, 깨끗한 양극 산화 Al보다 Cl 원자가 벽에서 덜 재결합한다. 그래서 Cl 농도와 Si 식각률이 시간에 따라 오른다. 웨이퍼 안의 모양도 바뀐다. 주된 Cl 손실이 벽에서 웨이퍼 위로 옮겨 가면서 중앙이 빠르던 분포가 가장자리가 빠른 분포로 뒤집혔다. 둘째는 창 스퍼터다. 오래 돌린 Cl₂ 플라즈마에서는 석영 창에서 스퍼터된 SiO₂가 벽을 덮어 Cl 농도를 올렸고, SF₆/O₂ 플라즈마가 이를 지워 '깨끗한' 상태로 되돌렸다. 벽에 따라 Cl 재결합의 속도 결정 단계가 바뀌므로, 전력·압력·유량을 바꿨을 때 플라즈마가 반응하는 방식까지 달라졌다. 모델 연구에서는 코일이 석영 창을 거쳐 용량 결합하며 O를 스퍼터해 산염화물 식각 방지층을 만들었고, 코일 위치를 옮기자 웨이퍼로 가는 O와 O⁺ 플럭스가 약 50% 줄었다.

셋째는 벽에서 나오는 물질이다. Williams와 Muller는 챔버를 대기에 연 뒤 다공성 양극 산화 Al 전극에 흡수된 물이 천천히 빠져나오면서 식각률이 며칠 동안 최대 50% 오른 사례를 적었다. 물에서 나온 H⁺ 이온이 이온 밀도와 Sheath 전압을 바꾼다는 설명이다. 같은 '벽이 변했다'도 방향이 정해져 있지 않다는 점을 기억하자. Agarwal과 Kushner의 모델에서 생성물이 벽에 쌓이는 경우에는 식각률이 공정 중에, 또 웨이퍼 사이에 떨어졌고, 식각을 막는 종을 더하지 않고 붙는 경우에는 올랐다. 이들은 반응기 표면의 부동화가 라디칼의 부착 계수를 바꿔 웨이퍼로 가는 플럭스 조합을 바꾸는 것을 시즈닝이라 정의하고, 이것이 한 웨이퍼 안에서도 웨이퍼 사이에서도 일어난다고 보았다.

깨끗한 챔버의 첫 웨이퍼

Lam Research의 특허는 이 현상을 장비 운영의 말로 적는다. 깨끗한 챔버에서는 처음 식각률이 낮고, 컨디셔닝 웨이퍼(Conditioning wafer, 벽을 생산 상태로 만들려고 먼저 돌리는 웨이퍼)를 충분히 돌린 뒤에야 안정되며, 그 뒤 세정과 세정 사이 동안 천천히 드리프트한다. 특허의 예에서 웨이퍼 없는 자동 세정(Waferless auto clean, WAC: 웨이퍼를 넣지 않고 플라즈마로 챔버 벽의 퇴적물을 지우는 단계) 없이 맨 Si 웨이퍼 5장을 돌린 뒤 다음 패턴 웨이퍼의 산화막 식각률이 약 27%, PR 식각률이 약 25% 올랐다. 같은 회사의 다른 특허에서는 웨이퍼마다 WAC를 넣어 1~25번째 웨이퍼의 반복성을 poly 주식각 0.7%, poly 과식각 2.6%, 산화막 주식각 3.1%, PR 주식각 4.6% 안에 두었다. WAC를 언제 멈출지는 OES의 390 nm(SiF₂), 309 nm(다른 SiF_x), 680~703 nm(F) 세기가 깨끗한 챔버의 기준선으로 돌아오고 기울기가 0이 될 때로 정했다. 습식 세정 PM을 마친 챔버에서 무엇이 일어날지 먼저 예측해 보자.

근거: 벽의 산염화물 막과 Cl 재결합, 중앙이 빠른 모양에서 가장자리가 빠른 모양으로, 깨끗한 챔버의 낮은 초기 식각률과 컨디셔닝 웨이퍼, WAC 없이 약 27% 증가(특허 예), 웨이퍼마다 WAC의 반복성(특허 예), 시즈닝의 정의와 방향.

PM 직후의 이상을 볼 때는 모양부터 가른다. PM 뒤 웨이퍼 순서를 따라 서서히 돌아오는 이동은 벽 상태와 시즈닝을, 장수가 쌓여도 돌아오지 않는 계단은 PM에서 바꾼 부품과 조립(간격, 링 높이, 정합 기준)을 먼저 의심하게 한다(해석). 모델 쪽도 PM을 넘어서야 한다. 장비 데이터로 플라즈마 식각률을 예측하는 가상 계측이 여러 번의 챔버 정비와 수천 장에 걸쳐 동작하도록, 최근 데이터로 모델을 갱신하는 창(window) 방식의 Gaussian process 모델이 제안되었다. FDC 모델도 정비 뒤에는 다시 맞춰야 한다. 시즈닝 드리프트를 장비가 스스로 따라가게 하는 방법도 있다. Agarwal과 Kushner는 식각률을 센서로, Bias 전압을 조작량으로 쓰는 비례 제어기로 실시간 제어와 런투런 제어를 보였다.

파티클과 아킹: 챔버 안의 사고

챔버 부품은 플라즈마에 조금씩 소모되고, 파티클과 이물은 무작위 수율 손실을 낸다. 식각 챔버의 파티클은 크게 세 곳에서 온다. 벽과 부품에 쌓인 퇴적물이 벗겨진 조각, 플라즈마를 마주하는 코팅이 상해 떨어진 조각, 그리고 플라즈마 속에 떠 있다가 떨어지는 입자다. 증착 챔버의 파티클은 CVD Book 11장에서 다뤘으니 비교해 보자.

퇴적물과 코팅에서 오는 파티클

식각 부산물은 벽에 쌓인다. Lam Research의 특허는 Ti를 포함한 하드마스크의 식각 부산물이 챔버 표면에 쌓이고, O₂ 기반 WAC로는 천천히만 지워지며, 벗겨져 웨이퍼 가장자리나 그 근처에 파티클을 만든다고 적는다. 특허는 ESC를 희생층으로 보호하고 더 강한 세정 화학을 쓰는 방법을 제안한다. 장비사 자료에도 같은 걱정이 보인다. Lam은 도체 식각 장비 Kiyo®에 다층막에서 결함을 낮추는 첨단 WAC를 넣었다고 소개하고, 베벨 장비 Coronus®는 웨이퍼 가장자리에서 소자 위로 벗겨질 수 있는 마스크·잔류물·막을 지운다고 소개한다. 플라즈마를 마주하는 윗전극과 링도 소모품이다. 기체 구멍이 뚫린 실리콘 전극, 가둠 링, 에지 링이 교체용 제품으로 팔린다.

벽을 보호하는 코팅도 파티클원이 될 수 있다. Y₂O₃는 SiO₂계 코팅보다 플라즈마 침식에 강해 챔버 내벽에 쓰였지만, 양산 Fab에서 Y₂O₃ 내벽의 심한 침식과 파티클 발생이 문제가 되었다. Lin 등은 대기 플라즈마로 용사한 Y₂O₃와 YF₃ 코팅을 양산용 Lam 2300 Metal ICP 식각기의 CF₄/O₂ 플라즈마(전자 밀도 약 10¹²~10¹³ cm⁻³)에 노출했다. 표면에 산불화물(Oxyfluoride, YO_xF_y: 산화물 표면이 불소화된 층) 층이 Y₂O₃에는 5.2 nm, YF₃에는 6.8 nm 생겼고, Y₂O₃는 갈라졌다. KLA Surfscan SP3와 현장 파티클 모니터로 센 웨이퍼 파티클에서 Y, O, F가 나와 코팅이 출처로 지목되었고, YF₃가 더 견고했다. NF₃ 플라즈마에서 비교한 다른 연구에서는 이트륨 산불화물 코팅이 Y₂O₃보다 무게는 빨리 줄었지만 오염 파티클은 65% 적었다. 무게가 덜 주는 코팅이 파티클도 덜 내는 것은 아니라는 뜻이다.

플라즈마 속에 떠 있는 입자

플라즈마 속에서 생긴 입자는 떨어지는 때가 정해져 있다. Selwyn 등은 실리콘 식각 플라즈마를 레이저 산란으로 관찰해, 음으로 대전된 입자가 Sheath 경계에 갇혀 떠 있다가 RF를 끄는 순간 웨이퍼 위로 떨어지는 것을 보였다. 플라즈마 속의 전자는 이온보다 빨라 입자를 음으로 대전시키고, 음전하는 웨이퍼 앞의 Sheath 전기장에 밀려 경계에 머문다(4장). 플라즈마가 꺼지면 이 받침이 사라진다. 아래 ANIMATION에서 이 순간을 보자.

근거: 음으로 대전된 입자가 Sheath 경계에 갇혀 떠 있다가 RF를 끄면 웨이퍼 위로 떨어진다.

이 관찰은 진단에서 독특한 지문이 된다. 플라즈마 속 입자가 원인이라면 파티클 수는 식각 시간보다 플라즈마를 끄는 사건, 곧 단계 전환과 공정 끝의 처리 방식과 함께 움직일 것이다(원리에서 나온 해석). 반대로 벽 퇴적물이 원인이라면 세정 뒤 RF 시간을 따라 늘고 성분에 그 퇴적물의 원소가 보일 것이다. 성분 분석과 시점 분석이 출처를 가른다.

아킹과 미세 아킹

아킹(Arcing, 챔버 안 어딘가에서 순간적으로 큰 전류가 흐르는 방전)은 장비 사고이자 파티클원이다. TSMC의 특허는 미세 아킹(Micro-arcing, µs 규모로 짧게 일어나는 작은 아크)을 이렇게 설명한다. 플라즈마가 측벽보다 높은 전위에 있고, 측벽의 유전체 라이닝이 절연 파괴되면 미세한 아크가 생긴다. 측벽에서 나온 오염물이 웨이퍼에 모이면 그 웨이퍼는 불량이 된다. 예시의 신호는 약 1~100 µs 동안의 급등·급락이었고, RF 전송선 근처에서 잰 자기장 신호를 미리 정한 패턴과 실시간으로 비교해 잡는다. Applied Materials의 특허는 아킹이 기판 폐기와 장비 정지로 이어지고, 작은 파편이 챔버에 남을 수 있으며, 아크가 양극 산화 피막에 탄 자국을 남긴다고 적는다. 이 특허의 데이터 분석에서는 V_DC와 RF 주파수가 과거 추세에서 벗어나는 것이 강한 아킹 지표였다. 아크가 나는 자리는 여러 곳이다.

수 µs의 사건은 1초 단위의 기록에서 평균에 묻히므로(2절의 SIMULATOR), 아킹이 의심되면 고속 검출기의 기록, 그 시점 앞뒤 웨이퍼의 결함 맵, 정비 때 챔버 안의 탄 자국과 파편을 함께 본다(두 특허의 설명을 이은 이 책의 정리).

ESC: 디척 불량, 웨이퍼 붙음, He 누설 알람

정전 척(ESC)과 뒷면 He 냉각의 구조는 7장에서 다뤘다. 이상 분석에서 척이 일으키는 문제는 두 갈래다. 놓아야 할 때 놓지 않는 문제(디척 불량, 웨이퍼 붙음)와, 잡고 있어야 할 때 새는 문제(He 누설 알람)다. 아래 그림에 척 주변에서 문제가 생기는 자리를 모았다.

He 압력과 척킹 압력은 같은 크기다

척이 웨이퍼를 누르는 힘을 단위 면적으로 나누면 압력이 된다. 유전체 두께 l, 비유전율 ε_s, 전압 V인 이상적인 Coulomb 척에서 척킹 압력은 아래와 같다.

같은 조건을 압력으로 바꾸면 약 1.18 kPa, 곧 약 8.8 Torr다. 압력은 전압의 제곱에 비례하므로 0.5 kV면 약 2.2 Torr, 2 kV면 약 35 Torr가 된다(계산). 한편 Bias를 거는 고밀도 플라즈마에서 뒷면 냉각 He 압력은 보통 5~30 Torr이고, 챔버는 밀리토르인데 척은 그보다 훨씬 높은 뒷면 압력을 버텨야 한다. 두 압력이 같은 크기라는 것이 요점이다. He 압력이 척이 누르는 압력을 넘으면 웨이퍼가 들려 He가 샌다(원리에서 나온 해석). 실제 척은 높이 50 µm의 엠보스 위에 웨이퍼를 얹어 접촉 면적이 60% 정도이므로 이상적인 식보다 힘이 작다. 기체가 열을 나르는 방식도 압력에 민감하다. 낮은 압력에서는 기체 전도가 압력에 비례해 늘고, 고정하지 않은 100 mm 웨이퍼는 약 1 Torr에서 이미 크게 변형되었다. 그러니 He 누설 알람을 보면 척 표면의 손상과 엠보스 마모, 웨이퍼 아래의 파티클, 웨이퍼의 휨, 척킹 전압과 잔류 전하를 함께 의심한다(해석).

놓지 않는 척: 잔류 전하

디척이 어려운 이유는 전원을 꺼도 전하가 남기 때문이다. 200 mm 척에서 전원을 끈 뒤 전류가 줄어드는 시간은 Coulomb형(알루미나)이 약 0.14 ms, 반도체성 유전체를 쓰는 J-R형(AlN)은 약 1000 ms였다. J-R 척은 낮은 전압에서 큰 힘을 내지만 전하가 오래 남아, 핀으로 올릴 때 웨이퍼가 깨지기도 했다. 남은 흡착력, 곧 잔류 흡착력(Residual chucking force)을 이기려면 큰 기계적 힘이 들고, 그 힘이 웨이퍼를 깨거나 웨이퍼가 예측할 수 없이 튀어 오르게 한다. Applied Materials의 특허는 같은 극성이면서 크기를 최적화한 디척 전압으로 이를 줄이고, 리프트 핀 3~4개가 웨이퍼를 2~5 cm 들어 올리는 구조를 기술한다(척킹 전압 약 +2000 V의 예).

척 표면에 자라는 막도 원인이 된다. Tokyo Electron의 특허는 척 표면에 전하를 가두는 AlF_xO_y 층이 생기고 웨이퍼 뒷면의 SiO₂와 함께 잔류 전하를 붙잡으며, 척킹 전압이 500 V 이상이면 잔류 전하가 다 방전되지 않아 웨이퍼가 튀고 깨질 수 있다고 적는다. 방전이 끝났는지는 He 누설 유량으로 판단한다. He 누설을 디척 판단에 쓰는 생각은 오래되었다. 다른 특허는 척 전압을 단계적으로 낮추며 He 누설을 감시해 잔류력을 없애는 전압을 찾았고, 8인치 웨이퍼·He 4 Torr의 예에서 누설 유량 25% 증가를 기준으로 삼았다. 리프트 핀에 힘 검출기를 달아, 작은 힘으로 웨이퍼가 아직 척킹되어 있는지, 큰 힘으로 떼는 데 드는 힘을 재는 설계도 있다. 같은 특허는 높은 Bias에서 뒷면 열전달 기체가 전기적으로 절연 파괴되어 웨이퍼가 떨어지고 웨이퍼와 척이 망가질 수 있다고 경고한다. ESC 전원 장치 제조사는 잔류 전하가 떼는 시간을 늘리고 정전기 방전 손상과 정전기 인력에 의한 미세 오염을 키우며, 웨이퍼를 접지해도 웨이퍼 위 유전체 막에 전하가 갇힐 수 있다고 설명한다. 진동하는 꼬리를 가진 구동 파형과 바이어스 오프셋을 대책으로 들고, 작은 교류로 정전 용량을 재 웨이퍼가 없음·있으나 척킹 안 됨·척킹됨을 알려 준다.

CD·프로파일 이상: 가장자리와 중앙

중앙과 가장자리가 다른 이유

웨이퍼의 가장자리는 플라즈마에게 낯선 곳이다. 웨이퍼가 끝나는 곳에서 화학, 이온 플럭스, 온도가 모두 불연속이 되기 때문에 중앙과 가장자리를 맞추기가 어렵다. Lam의 강의 자료에 실린 예에서는 이온 제한 영역의 CF₄/Ar 산화막 식각에서 CCP 전극 간격을 바꾸자 중앙이 빠른 모양과 가장자리가 빠른 모양이 뒤집혔고, 가장자리 식각률이 약 8% 줄 때 이온 플럭스가 약 7% 줄었다. 다중 영역 ESC 온도도 식각률을 맞추는 손잡이다. 첨단 공정은 가장자리 3 mm 안쪽까지 깊이와 CD를 3σ 1 nm 미만으로 맞추는 수준을 요구한다. 오래된 평행판 식각기에서는 웨이퍼 바로 밖에 반응물을 쓰는 곳이 없어 가장자리가 빨랐다. 벽 상태만으로도 모양이 뒤집힌다는 것은 3절에서 보았다. 그래서 가장자리 이상은 시간과 함께 읽는다. PM 뒤 RF 시간을 따라 서서히 나타나면 벽이나 링의 마모를, 링을 바꾼 첫 장부터 있으면 링의 높이와 조립을 먼저 의심한다(해석).

Focus ring이 닳으면 가장자리 홀이 기운다

Focus ring은 웨이퍼 둘레를 감싸 반응물 플럭스와 이온의 에너지·각도 분포를 웨이퍼 가장자리까지 매끄럽게 이어 준다. 링과 그 아래 구조의 직렬 정전 용량이 웨이퍼 쪽보다 작아 링은 빨리 대전되고, 그 위의 Sheath 전압이 낮아져 Sheath가 얇아진다. 이 Sheath의 휨이 웨이퍼와 링의 경계에서 이온 각도 분포를 기울이며, 모델에서는 최대 15°까지 기울었다. 같은 그룹의 ICP 계산에서 가장자리 기울기는 1차적으로 링의 대전에서 왔고, Bias 주파수가 낮을수록 나빠졌다.

링이 닳으면 이 균형이 무너진다. Tokyo Electron의 특허는 닳지 않은 링에서는 웨이퍼와 링 위의 Sheath가 평행하지만, 링이 닳으면 가장자리의 Sheath 모양이 바뀌어 이온이 기울어 들어오고 가장자리의 개구가 기운다고 설명한다. 보정 방법으로는 링 소모량과 자기 바이어스 V_dc로 정한 표에서 오프셋 전압을 찾아 링에 거는 직류 전압에 더한다. 소모량은 레이저 두께 측정 등으로 재거나 공정 변수로 추정한다. 크기를 잰 실험도 있다. Seong 등은 300 mm CCP(13.56 MHz, 30 mTorr, Ar/C₄F₈)에서 웨이퍼와 전극 사이 단차로 링의 침식을 흉내 냈다. 단차 0.6 mm 이하에서 가장자리 식각 기울기는 2.5° 이하였고 단차와 함께 커졌다. 저자들은 고종횡비 식각에서는 2°의 기울기도 결함일 수 있으므로 단차가 0.6 mm가 되기 전에 링을 바꿔야 한다고 결론지었다. 이것은 그 실험의 결론이지 업계의 관리 기준이 아니다. 3D NAND에서는 링 높이가 소모로 낮아지면 가장자리 Sheath가 휘어 메모리 홀이 어긋난다.

작은 기울기가 왜 문제인지는 계산으로 보인다. 깊이 6 µm의 홀이 2° 기울면 바닥은 입구에서 6000 nm × tan 2° ≈ 210 nm 옆으로 간다(계산). 3D NAND 채널 홀의 예가 지름 약 100 nm, 깊이 10 µm이므로, 바닥이 자기 지름보다 더 비켜날 수 있다. 그래서 고종횡비 식각의 목표로 웨이퍼 전체에서 플럭스 균일도 1% 안, 수 keV 이온의 각도를 수직에서 1° 안이 거론된다. 아래 SIMULATOR에서 링의 수명을 따라가 보자.

근거: Focus ring 대전과 Sheath 휨, 가장자리 이온 각도, 낮은 Bias 주파수에서 더 나빠짐, 0.6 mm 단차·2.5° 이하·2°의 결함 판단, 링 마모로 기우는 개구와 직류 전압 보정, 링을 올려 침식을 보상하고 챔버를 열지 않고 바꾸는 구동기, 지름 100 nm·깊이 10 µm 홀.

링 탓인가, 패턴 탓인가

홀이 기우는 이유가 링만은 아니다. Huang 등의 계산에서 대칭 패턴의 홀은 이웃의 대전 때문에 무작위로 기울 뿐 평균 기울기가 없었지만, 셀 배열의 가장자리나 빈자리 옆처럼 비대칭인 곳에서는 밀집 쪽(더 양으로 대전)에서 성긴 쪽을 향하는 수평 전기장이 생겨 홀이 성긴 쪽으로 체계적으로 기울었다. 가장자리나 빈자리에 가까울수록 심했고 Bias 전력을 높이면 줄었다. 종횡비가 50~100을 넘으면 작은 기울기가 깊이 때문에 커져 이웃 홀과의 간격을 줄이거나 잇는다. 상용 CCP로 식각한 고종횡비 배열에서는 Twisting과 깊이가 홀마다 달랐지만 Bowing은 거의 고르게 나타났다. 세 가지 기울기는 지문이 다르다.

홀 바닥의 위치를 웨이퍼를 깨지 않고 재는 장비도 있다. KLA는 X선 치수 계측 장비 Axion® T2000이 3D NAND와 DRAM의 고종횡비 구조에서 휨, Bowing, CD 프로파일, 깊이, 기울기를 인라인으로 잰다고 소개한다(제조사 주장). 단면 SEM은 한 웨이퍼를 깨야 하지만, 이런 측정은 같은 웨이퍼의 여러 자리를 비교하게 해 준다.

제품이 바뀌면 CD가 움직인다

가장자리와 중앙만이 아니라 제품 사이에서도 CD와 식각률이 움직인다. 깎이는 면적이 다른 두 제품 사이의 공정 이동과, 챔버 부품에 쌓인 고분자에 의한 식각률 드리프트는 매크로 로딩의 현업 예로 소개되고, 보정 방향은 압력·기체 비율·RF 전력으로 반응종 공급을 늘리는 것이다. 같은 챔버, 같은 레시피에서 한 제품만 움직였다면 장비보다 그 제품의 열린 면적과 패턴 밀도를 먼저 본다(8장).

잔사·부식·플라즈마 손상

바닥이 열리지 않는다: 잔막과 Etch stop

콘택과 Via의 바닥에 잔막이 남으면 금속을 채워도 계면에 절연층이나 고분자가 남아 저항이 오르거나 Open이 된다(9장). 바닥이 열리지 않는 이유는 여러 갈래다. 종횡비가 클수록 바닥에 닿는 중성종과 에너지가 줄어 느려지는 ARDE가 있고, 모델 연구에서 그 대부분은 중성종 수송에서 왔다. 불화탄소 유전체 식각에서는 고분자 플럭스를 늘리면 어느 정도까지는 식각률이 오르다가 그 뒤에는 떨어지거나 아예 멈출 수 있다. 대전이 이온을 감속시켜 식각을 멈추게 할 수도 있고, 고종횡비 식각에서는 마스크 입구가 막히는 문제도 남아 있다. 플라즈마의 F/C 비가 약 3 아래로(수백 V의 이온이 있으면 약 2.2 아래로) 내려가면 식각보다 고분자 퇴적이 이긴다. 화학의 균형은 6장, ARDE는 8장에서 다뤘다.

후보를 가르는 열쇠는 어디에서 멈췄는가다. 작은 홀과 깊은 홀에서만 멈추면 ARDE를, 큰 홀까지 함께 느려지고 기체 비율 변경과 시점이 맞으면 고분자 과다를, 웨이퍼 가장자리에서만 멈추면 링·He·온도를, 어느 시점부터 웨이퍼 전체에서 멈추면 챔버 상태를 먼저 본다(이 책의 정리). ARDE가 있는 공정은 큰 종횡비까지 뚫으려 과식각이 필요하고, 그만큼 선택비와 낮은 손상이 더 필요하다. 웨이퍼 안의 미세 불균일이 '덜 뚫려 잃는 칩'과 '과식각 손상으로 잃는 칩' 사이의 줄다리기를 정한다. 과식각 예산은 11장에서 계산했다.

종말점이 흔들린다: 작은 열린 면적

OES 종말점은 막이 뚫리며 바뀌는 생성물의 발광을 본다. 검출할 만한 생성물 농도를 얻으려면 보통 식각 면적이 수 cm²는 필요하고, 그보다 작으면 시험 영역에 레이저 간섭계를 쓴다. Applied Materials의 특허는 기존 단일 파장 방법이 흔히 열린 면적 약 30% 이상에 한정되는데 미세화로 열린 면적이 1%까지 내려간다고 적고, 전체 스펙트럼을 쓰는 적응 필터로 열린 면적 40, 10, 4, 1%에서 종말점을 잡았다. 0.35 µm CMOS의 콘택·Via 식각에서는 전체 OES 스펙트럼에 PCA 기반 T²·Q 통계를 써 작은 열린 면적의 종말점을 자동으로 잡았고, 수정 K-means 군집 분석은 열린 면적 1.0%의 SiN_x 식각에서 정규화한 단일 파장보다 감도를 5배 높였다. 신제품에서 종말점이 흔들리면 열린 면적부터 확인한다. OES 창에 막이 앉아 신호가 약해지는 경우도 후보지만, 그렇다면 기존 제품의 신호도 함께 약해져야 한다(해석).

몇 시간 뒤에 나타나는 Al 부식

Al 배선 식각의 부식은 장비 밖에서, 시간이 지나서 나타난다. Al은 Cl₂/BCl₃로 식각하고, Cl₂/BCl₃/CHF₃와 DUV 감광막을 쓰면 측벽 퇴적물이 수백 Å로 두꺼워져 그 안에 Cl을 가둔다. 남은 Cl과 스며든 수분이 HCl을 만들고, HCl이 Al을 공격해 AlCl_x를 만들며, 이것이 물과 반응해 부식과 더 많은 HCl을 만드는 순환이 생긴다. 부식이 검출되기까지의 시간을 특허는 부식 여유(Corrosion margin, 식각 뒤 부식이 보일 때까지 버티는 시간)라 부른다. 기존 패시베이션은 H₂O 플라즈마로 Cl을 HCl로 바꾸고 O₂ 플라즈마로 감광막을 벗기며 220~275 °C에서 한다. AlCl₃ 잔류물은 흡습성이 있고, Al–Cu 합금은 갈바닉 결합 때문에 Cl이 조금만 남아도 부식한다. 감광막 제거와 패시베이션을 되풀이하면 대기 수분에 적어도 24시간, 보통 48시간 버텼다(특허 예). 다른 특허는 실무 기준을 감광막 제거 뒤 24시간 안에 부식이 없는 것으로 적고, O₂ + CF₄ 건식 제거만으로는 늘 24시간을 보장하지 못했다고 했다. 연구실의 예에서는 Al 식각마다 CF₄/O₂(90/10 sccm, 400 W, 1분) 플라즈마로 잔류 Cl을 F로 바꿨다.

안테나 효과: 큰 도체가 얇은 산화막에 전류를 몰아준다

플라즈마 유발 손상(Plasma-induced damage, PID: 플라즈마 공정의 대전이 게이트 산화막 같은 소자 부분을 상하게 하는 일)의 대표는 안테나 효과다. 게이트에 이어진 넓은 도체가 플라즈마의 전하를 모으고, 그 전하가 작은 게이트의 얇은 산화막을 지나 기판으로 흐른다. 이 대전 전류는 얇은 산화막에 정전류 스트레스처럼 작용하며, 보호 다이오드와 안테나 설계 규칙, 과식각 중의 대전 관리가 대책이다. 게이트에 이어진 도체가 게이트보다 얼마나 넓은지를 안테나 비(Antenna ratio)라 한다. 손상의 원인으로는 떠 있는 웨이퍼 위 플라즈마 전위의 불균일, 막이 뚫리는 순간의 일시적인 안테나 효과, 전자 그림자 효과가 꼽히고, 고립된 게이트가 드러나는 동안 손상이 가장 크다. 전자 그림자 효과(Electron shading)는 종횡비가 큰 감광막 개구가 방향이 제각각인 전자를 가려 바닥에 이온의 양전하만 쌓이게 하는 현상으로, 손상이 종횡비와 함께 커졌고 산화막이 8 nm에서 6 nm로 얇아지자 10배 넘게 늘었다.

손상을 확인하는 표준 도구는 안테나 비가 다른 시험 구조다. 같은 증상(게이트 누설)이라도 측정을 공정 단계 사이에 끼워 넣으면 원인 단계를 가를 수 있다. Brozek 등은 안테나가 달린 MOS 구조의 게이트 산화막 무결성을 poly 실리사이드 직후와 금속 1층 뒤에 인라인으로 재서, poly 식각의 손상과 층간 절연막 증착의 손상을 갈랐다. 공정 중에 손상을 현장에서 바로 잡는 일은 아직 열린 연구 과제로 꼽힌다. 그래서 손상은 지금도 대개 공정 뒤 전기 검사로 드러난다. 트렌치 바닥의 대전이 만드는 Notching은 같은 대전의 형상 쪽 결과이며 8장에서 다뤘다.

공정·장비 엔지니어의 협업

앞 절의 사건들은 대개 한 사람이 다 풀지 못한다. 식각 공정 엔지니어는 웨이퍼 결과를 표면 반응과 플라즈마로 해석해 목표 구조와 안정된 공정창을 만든다. 식각 장비 엔지니어는 레시피가 뜻한 기체, RF, 압력, 온도가 실제 챔버에서 반복해서 구현되도록 하드웨어 상태를 지킨다. 아래 표는 두 역할이 다루는 일을 이 책이 정리한 것이다. 실제 범위와 이름은 회사와 조직마다 다르고, 입사한 뒤에는 그 회사의 표준 용어와 절차를 따른다.

공정 엔지니어에게 공정창은 한 지표를 최대로 만드는 점이 아니다. 식각률이 가장 빠른 조건이라도 선택비, 프로파일, 균일도, 마스크 수명, 하부막 손상을 함께 만족하지 못하면 양산 조건이 될 수 없다. 공정 엔지니어의 확인 순서는 이렇게 요약된다. 변화가 노광에서 들어왔는지 식각에서 생겼는지 가르고, 화학·이온·수송 제한의 가설로 나누고, 특정 패턴·챔버·RF 시간에 국한되는지 범위를 정하고, 조건을 바꿀 때 좋아지는 지표와 나빠지는 지표를 함께 적고, 계측값이 실제 구조와 전기 특성을 대표하는지 검증한다(이 책의 정리).

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

연습 사례: PM 뒤 가장자리 Contact 바닥 잔막

장의 처음에 나온 사건을 직접 풀어 보자. PM 뒤 첫 로트에서 웨이퍼 가장자리 Contact의 바닥 잔막이 늘었고 가운데는 정상이다. 가설은 여섯 갈래다. 공정 쪽의 시즈닝 부족, 열 쪽의 가장자리 He 접촉 불량, 진공 쪽의 APC 밸브·펌프 변화, RF 쪽의 Focus ring과 가장자리 전기장, 입고 쪽의 가장자리 막 두께와 PR CD, 계측 쪽의 가장자리 패턴 인식과 단면 시료 채취의 치우침. 아래 CHALLENGE에서 확인 작업을 골라 가설을 지우고 원인을 선언하자. 판마다 같은 증상 뒤에 다른 원인이 숨어 있다.

가설과 확인의 근거: 벽 상태와 시즈닝, He 누설과 척킹, 밸브 개도, Focus ring과 가장자리 Sheath, 고분자 과다에 의한 식각 정지.

사건 파일 여덟 건

이제 이 책 전체를 묶는 사건들을 풀어 보자. 여덟 사건은 공개된 논문, 학회 자료, 특허가 보고한 사례나 메커니즘을 바탕으로 만들었다. 각 사건의 그래프는 학습용으로 재구성한 데이터이며, 문헌의 그림을 옮긴 것이 아니라 문헌이 보고한 현상과 숫자를 바탕으로 경향을 그린 것이다. 특허에 바탕을 둔 부분은 특허에 기술된 메커니즘이지 측정된 Fab 데이터가 아니다. 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 사례들을 묶어 이 책이 뽑은 경험칙이다. 문헌이 이런 형태로 정리한 것은 아니므로 결론이 아니라 가설을 세우는 출발점으로만 쓰자.

• 정비·벤트 같은 사건 뒤에 크게 벗어났다가 서서히 돌아온다 → 벽에서 나오거나 벽이 먹는 것. (사건 1, 3절의 PREDICT)
• 설정값은 같은데 장비 응답이 한쪽으로 간다 → 그 응답을 만드는 부품의 마모. (사건 2)
• 웨이퍼 위치가 아니라 패턴 위치를 따라간다 → 패턴이 만드는 대전과 로딩. (사건 3)
• 처리한 장수를 따라 서서히 나빠진다 → 척·벽·코팅 표면의 누적 변화. (사건 4, 5)
• 장비를 떠난 뒤의 시간을 따라간다 → 대기와 만나는 화학. (사건 6)
• 안테나나 열린 면적처럼 설계의 숫자를 따라간다 → 구조가 플라즈마 신호나 전하를 모으는 방식. (사건 7, 8)

같은 말, 다른 뜻

협업에서 자주 엇갈리는 말을 짝으로 정리한다. 앞의 것과 뒤의 것을 바꿔 쓰면 회의가 엉뚱한 방향으로 간다.