스마트폰, 4K TV, 웨어러블 기술과 같은 소비자 전자 기기에 대한 전 세계적 수요가 증가하고, 머신 러닝과 블록체인 기술로 구동되는 신흥 분야가 등장함에 따라 반도체 기반 소자에 대한 수요는 그 어느 때보다 높아졌습니다.
이러한 수요와 함께 안정적인 공급을 보장해야 하는 압박이 소자 제조업체에게 점점 더 커지고 있습니다. 게다가 제조업체가 더 작은 칩에 더 많은 컴퓨팅 성능을 집어넣으려고 시도함에 따라 집적 회로(IC)는 계속해서 크기가 작아지고 복잡성은 증가하고 있습니다.
이는 좋은 품질 관리를 보장하는 조치가 생산 공정 중에 필요하기 때문에 대량 제조를 어렵게 만듭니다. 반도체 소자 구조는 정확하게 복제되어야 하며, 웨이퍼 표면에 가장 작은 결함이 있어도 최종 제품을 손상시킬 수 있습니다. 따라서 결함 검사를 위한 견고한 이미징 시스템이 필요합니다.
수년에 걸쳐 많은 반도체 이미징 기술이 등장했지만, 모두 제조 중 웨이퍼 검사에 적합한 것은 아닙니다. 이러한 기존 이미징 기술의 한계와 제조 공정 중에 효과적으로 작동하지 않는 이유를 알아보겠습니다. 또한 웨이퍼 결함 검사에 사용되는 업계 표준 이미징 방법과 더 작고 정교한 미래의 IC 검사 과제를 해결하기 위해 이를 어떻게 개선할 수 있는지도 논의합니다.
웨이퍼 검사 공정이 중요한 이유
웨이퍼 검사는 반도체 제조 공정에서 중요한 부분입니다. 소자가 점점 작아짐에 따라 제조 결함에 대한 허용 오차가 낮아져 웨이퍼의 가장 작은 불완전함조차도 웨이퍼나 최종 제품을 사용할 수 없게 만들 수 있습니다. 따라서 결함은 제조업체에 비용이 많이 들며, 생산 공정을 너무 늦추지 않으면서 가능한 한 빨리 이러한 결함을 감지하기 위해 사용 가능한 최신 기술을 사용하는 것이 그들의 최대 이익입니다.
결정 결함 및 먼지 입자로 인한 오염과 같은 잘 알려진 결함이 계속해서 영향을 미칠 뿐만 아니라, 제조업체는 나노미터 규모에서 작업하면서 완전히 새로운 유형의 결함을 발견하고 있습니다. 더 새롭고, 더 작고, 더 진보된 집적 회로가 개발됨에 따라 이를 검사하기 위한 더 나은 결함 감지 방법이 필요합니다.
반도체 클린룸은 제조 환경을 신중하게 제어하여 오염 물질과 같은 문제를 어느 정도 완화할 수 있고, 반도체 신뢰성 테스트는 발생하는 패턴 결함의 수를 줄이기 위해 생산 공정을 개선할 수 있지만, 이를 완전히 제거할 수는 없습니다. 따라서 결함 감지는 제조 중에 중요한 측면이 되며, 웨이퍼 검사를 위해 특별히 설계된 도구가 필요합니다.
고장 분석 및 R&D에 사용되는 웨이퍼 검사 방법이 제조 중에는 작동하지 않는 이유
결함 검사는 주사전자현미경(SEM) 및 투과전자현미경(TEM)과 같은 전자빔 현미경 기술로 수행할 수 있습니다. 이러한 전자빔 기술은 광학 시스템에 비해 높은 공간 분해능과 재료 대비를 제공합니다. 그러나 스캔 속도가 낮아 검사를 받아야 하는 엄청난 양을 따라잡기에는 생산 환경에서 사용하기에 부적합합니다.
그렇다고 해서 전자빔 기반 검사 도구가 반도체 고장 분석 노력을 보완하여 집적 회로 소자가 어떻게 고장 나는지 이해하는 데 유용하지 않다는 의미는 아닙니다. 전자빔 검사 도구는 새로운 도구나 원자재가 도입될 때 공정 개발 중 검증 목적으로도 사용될 수 있습니다. 전자빔 도구는 10나노미터 이하의 결함을 찾을 수 있으며, 처리량을 개선하기 위한 새로운 모델이 개발되고 있습니다.
광학 현미경부터 전자빔 및 원자간력 현미경까지 다양한 유형의 현미경에 대해 자세히 알아보려면 반도체 현미경의 역할을 읽어보세요.
웨이퍼 결함 검사에 사용되는 이미징 기술
웨이퍼는 생산의 다양한 단계에서 결함 검사를 받습니다. 먼저 웨이퍼 제조 공장에서 비패턴 또는 베어 웨이퍼를 검증한 다음, 칩 제조업체가 인수하여 집적 회로로 전환하는 다음 공장에서 다시 검사합니다. 공정 중에 반사되거나 산란된 빛을 분석하여 각 단계에서 결함 감지를 위해 다양한 유형의 광학 시스템이 사용됩니다. 일반적으로 전자빔 현미경과 같은 다른 방법에 비해 상대적으로 높은 처리량, 속도 및 저렴한 비용으로 선택됩니다.
비패턴 웨이퍼 검사
비패턴 또는 베어 웨이퍼는 균일한 표면을 가지고 있으며 아직 집적 회로(IC)로 전환될 회로를 생성하기 위해 가공되지 않았습니다. 결함 검사는 먼저 반도체 웨이퍼 제조업체가 수행하여 검증된 제품만 출하되도록 합니다. IC 제조업체는 베어 웨이퍼를 기능하는 마이크로칩으로 전환하기 전에 자체 결함 검사를 수행하여 기존 결함 유형과 자체 생산 공정에서 발생하는 결함을 분리합니다.
비패턴 웨이퍼 검사 방법
비패턴 웨이퍼를 회전시키고 레이저 빔을 표면에 방사형으로 조사하여 스캔합니다. 웨이퍼는 거울처럼 특정 각도로 이 빛을 반사하며, 이러한 유형의 반사를 ‘정반사(specular reflection)‘라고 합니다. 표면에 존재하는 입자와 같은 오염 물질이나 기타 유형의 결함은 다른 광학적 특성을 가지고 있어 반사된 빛의 일부가 일반적인 경로에서 산란됩니다. 암시야 조명을 통해 산란된 빛을 감지할 수 있습니다. 또는 명시야 조명을 통해 반사된 빛의 강도 손실을 확인할 수 있습니다.
레이저 빔의 산란 또는 반사된 빛의 강도는 광전자 증배관(PMT) 또는 전하 결합 소자(CCD) 유형의 감지 시스템을 사용하여 측정할 수 있습니다. 레이저 빔의 방사형 위치와 비패턴 웨이퍼의 회전 위치를 사용하여 감지된 결함의 정확한 위치를 결정할 수 있습니다. 이러한 좌표와 측정값은 제조업체가 결함을 찾을 수 있을 뿐만 아니라 회전하는 웨이퍼 표면에서의 크기와 위치를 추적할 수 있는 맵을 생성합니다.
스캔 중 섬세한 회전 웨이퍼의 움직임을 처리하는 웨이퍼 스테이지와 스캔을 수행하는 광학 장비와 같은 다양한 구성 요소는 극도로 정밀해야 하며 반복 가능한 움직임이 가능해야 합니다. 이는 이러한 구성 요소에 부착된 정교한 모션 제어 시스템을 통해 이루어집니다.
일반적으로 베어 웨이퍼의 결함 감지는 암시야 조명을 사용하여 수행되는데, 이는 이미지 렌더링(래스터링)이 명시야보다 빠르기 때문입니다. 이를 통해 더 빠른 생산과 궁극적으로 더 높은 처리량이 가능합니다. 매우 높은 볼륨으로 수행되는 일반적인 웨이퍼 검사 외에도 다른 응용 분야는 약간 더 진보된 장비가 필요합니다.
딥 자외선을 사용한 서브 100나노미터
공급업체로부터 들어오는 웨이퍼에 대한 품질 보증이 필요하며, 대량 생산에 사용되는 공정 도구도 모니터링하고 검증해야 합니다. 이러한 평가는 대량 생산에 사용되는 것과 동일한 원리로 결함을 찾는 정교한 서브 100나노미터 검사 도구에 의해 수행됩니다. 이들을 구분하는 것은 광학 시스템을 향상시키기 위해 딥 자외선(DUV) 조명 기술을 사용한다는 점입니다.
서브 100나노미터 수준에서 결함을 감지할 수 있는 검사 도구는 다양한 새로운 과제에 직면합니다. 이러한 규모에서는 웨이퍼 표면의 미세 거칠기 및 주변 습도와 같은 문제로 인해 산란된 광파의 신호 대 잡음비(SNR)가 감소합니다. 이러한 고급 결함 감지 도구는 이미지 분석 알고리즘, 신호의 편광 및 광학적 공간 필터링을 사용하여 이러한 문제를 극복합니다.
패턴 웨이퍼 검사
패턴 웨이퍼는 기능 회로 블록이 제조된 웨이퍼입니다. 이러한 각 블록을 ‘다이’라고 합니다. 단일 웨이퍼에는 동일한 회로 배열의 복사본인 많은 블록이 포함되어 있습니다. 그런 다음 블록을 패턴 웨이퍼에서 절단하고 패키징하여 완성된 집적 회로를 형성합니다. 암시야 및 명시야 조명 기술과 이 둘의 조합을 모두 사용하여 패턴 웨이퍼의 결함을 감지할 수 있습니다.
패턴 웨이퍼 검사 방법
패턴 웨이퍼 검사 도구는 웨이퍼 표면의 단일 다이를 결함이 없는 것으로 알려진 ‘골든 다이’와 비교하여 작동합니다. 테스트 다이 이미지에서 골든 다이 이미지를 뺄 수 있는 소프트웨어 도구가 사용됩니다. 차감된 이미지는 테스트 다이에 존재하는 결함을 나타내며, 전체 웨이퍼에 대한 결함 맵을 준비할 수 있습니다. 비패턴 웨이퍼 검사와 마찬가지로 패턴 웨이퍼도 이러한 작업을 수행하기 위해 정밀한 모션 제어 메커니즘이 필요합니다. 패턴 웨이퍼의 결함 감지 공정은 비패턴 웨이퍼보다 훨씬 느립니다.
전통적으로 가시광선을 사용하여 수행되었지만, 패턴 웨이퍼 검사 도구는 이제 최신 장비에서 자외선 주파수를 활용하며, 딥 자외선(DUV)을 사용하여 65나노미터 범위 근처를 스캔합니다. DUV 웨이퍼 검사 도구는 얕은 트렌치 포토레지스트 마이크로 브리징, 콘택트 에칭 결함 및 아이솔레이션 보이드와 같은 서브 100나노미터 규모의 패턴 결함을 발견하는 데 매우 효과적인 것으로 입증되었습니다. 명시야 감지를 위해 가시광선, UV 및 DUV를 사용한 광대역 조명을 사용하여 55나노미터 범위에서 플래시 소자 및 DRAM 칩을 검사할 수 있습니다.
딥 자외선의 문제점과 광대역 플라즈마 조명의 사용
DUV 기반 방법은 잘 이해되어 있고 다른 방법보다 비용이 저렴하며 처리량이 높기 때문에 제조업체들 사이에서 매우 인기가 있었습니다. 그러나 일부 업계 관계자는 DUV 조명을 암시야 방법과 함께 사용할 때 65나노미터 이하의 결함을 식별하기에 충분히 민감하지 않다고 주장했습니다. 또한 레이저 빔이 스캔을 수행할 때 작거나 섬세한 구조에서 표면 재료가 제거되는 레이저 어블레이션과 같은 문제도 있었습니다. 광대역 플라즈마 조명 방법은 이러한 문제를 해결하는 데 핵심이 될 수 있으며, 심지어 서브 10나노미터 규모에서 결함 감지를 가능하게 할 수도 있습니다.
레티클 검사
비패턴 또는 패턴 웨이퍼에 존재하는 결함이 해당 결함 영역을 포함하는 최종 제품에 나쁜 소식인 반면, 레티클에 존재하는 결함은 이를 처리하는 모든 웨이퍼에 전달됩니다. 이것이 그 이유입니다.
레티클이란?
포토리소그래피라는 공정을 통해 비패턴 실리콘 기판은 포토마스크를 통과하는 빛에 노출됩니다. 다양한 포토마스크 세트에는 웨이퍼에 하나씩 층을 이루어야 하는 패턴이 포함되어 있습니다. 이것이 웨이퍼 표면에 미세 회로가 생성되는 방식입니다. 레티클은 생산 중에 사용되는 포토마스크를 복사하는 데 사용되는 중간 포토마스크의 한 유형입니다.
이는 하나의 레티클이 손상되면, 그것으로 제조된 수천 개의 IC에 제조 결함이 포함될 수 있어 전체 배치를 쓸모없게 만들 수 있음을 의미합니다. 따라서 레티클 검사는 웨이퍼 검사와 함께 수행되는 제조 공정의 중요한 부분입니다.
레티클의 결함 감지 방법
레티클의 결함 감지는 설계의 반사 특성으로 인해 더욱 복잡해지며, 반사광보다는 투과광을 사용하여 검사해야 합니다. 검사 절차는 패턴 또는 비패턴 웨이퍼에 사용되는 것과 동일한 원리를 기반으로 하며, 모든 결함은 빛이 일반적인 경로에서 산란되게 합니다.
가시광선과 자외선은 시료를 통과하여 블랭크 또는 패턴 레티클의 결함을 식별하는 데 사용될 수 있으며, 서브 100나노미터 수준에서는 딥 자외선이 사용됩니다. 반도체 산업에서는 생산 공정 전반에 걸쳐 레티클을 정기적으로 확인하는 것이 표준 관행입니다. 레티클 검사를 처리하기 위해 정밀한 모션 제어 시스템이 필요하며, 더 나은 결과를 얻기 위해 이미지 분석 알고리즘이 사용됩니다. 또한 레티클의 경우 높은 처리량이 문제가 되지 않으므로 전자빔 방법을 사용할 수 있습니다.
결함 검사를 위한 더 나은 반도체 이미지를 얻는 방법
광학 방법은 높은 처리량을 유지하기 위해 항상 사용되지만, DUV 유형의 조명을 사용하더라도 해상도에 한계가 있습니다. 전자빔 및 원자간력 현미경은 훌륭한 해상도를 제공하지만 스캔 속도가 느립니다. 최근 삼성전자가 개발한 라인 스캔 초분광 이미징(LSHI)이라는 새로운 방법은 광학 검사의 해상도를 개선하는 것을 목표로 합니다.
LSHI에서 직사각형 광선이 웨이퍼의 검사 영역을 비추고, 반사된 빛은 이를 구성 주파수로 분리할 수 있는 특수 모듈에 수집됩니다. 들어오는 광선을 분할할 수 있는 고급 프리즘을 상상해 보세요. 그런 다음 각각 특정 스펙트럼 범위를 감지하도록 정밀하게 보정된 카메라 세트로 분석됩니다. LSHI는 엄청난 양의 공간 및 스펙트럼 데이터 측정을 가능하게 합니다. 시야도 개선되어 처리량을 증가시킬 잠재력이 있습니다. 지금까지의 단점은 이 기술이 더 민감한 감지기와 광원의 더 큰 안정성을 필요로 한다는 것입니다.
결함 검사를 통한 더 나은 반도체 소자 구축
광학 검사 도구를 사용하는 기존 방법이 여전히 사용되고 있지만, LSHI와 같은 새로운 기술이 항상 개발되고 있습니다. 개선된 정밀 모션 제어, 추가로 민감한 카메라 및 더 안정적인 광원이 필요하지만, 업계 전반에 걸쳐 더 정교한 장비를 사용할 수 있게 되면 이러한 문제는 해결될 수 있습니다.
결함 검사에 더 진보된 반도체 이미징 기술이 사용됨에 따라 생산 중 문제가 완화되어 제조업체의 폐기물과 비용을 줄이는 데 도움이 됩니다. 이는 내일의 세상을 형성할 차세대 전자 제품을 구동하는 새롭고 신뢰할 수 있는 마이크로칩을 제공하는 것으로 이어집니다.
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FAQ
웨이퍼 검사란 무엇인가요?
웨이퍼 검사는 반도체 제조 중 웨이퍼의 패턴 결함과 먼지 입자와 같은 오염 물질의 존재를 확인하기 위해 수행됩니다.
반도체용 웨이퍼 계측과 웨이퍼 검사의 차이점은 무엇인가요?
계측은 반도체의 물리적 및 전기적 성능이 생산 요구 사항을 충족하는지 확인하기 위해 사용되는 엔지니어링 분석 방법에 관한 반면, 검사는 최종 제품의 성능을 손상시킬 수 있는 입자 또는 표면 결함과 같은 결함을 찾는 것입니다.
반도체에서 결함 검사가 중요한 이유는 무엇인가요?
결함 검사는 제조업체가 웨이퍼 표면의 결함과 먼지 입자와 같은 오염 물질을 찾을 수 있게 해주며, 이는 웨이퍼에 제조된 집적 회로의 성능을 손상시킬 수 있습니다.