반도체 업계는 근본적인 과제에 직면해 있습니다. 3D 트랜지스터 아키텍처와 다층 상호 연결 스택으로 인해 공정 집적화가 점점 더 복잡해짐에 따라, 많은 중대한 결함을 광학적으로 식별할 수 없게 되었습니다. eProbe 전자빔 검사 장비를 기반으로 하는 PDF Solutions의 DirectScan 솔루션은 전압 대비 검사 방식에 근본적으로 새로운 접근법을 도입하여 이러한 과제를 해결합니다.
2025년 PDF Solutions 사용자 컨퍼런스에서 저희는 eProbe의 기술, 적용 분야, 가치 제안 및 업계 도입 현황에 대해 발표했습니다. 발표 자료는 여기에서 확인하실 수 있습니다.
선진 공정 노드에서 ‘검사 격차’란 무엇인가?
현대 반도체 제조 기술은 눈부신 발전을 이루었습니다. 핀펫(FinFET)은 게이트-올-어라운드(GAA) 나노리본 트랜지스터로 대체되었으며, 미들-오브-라인(MOL) 스택은 다중 패터닝 공정을 통해 더욱 복잡해졌습니다. 그 결과 치명적인 결함이 이러한 3D 구조 깊숙이 숨겨지게 되어, 수십 년간 업계의 주력 기술로 자리매김해 온 기존의 광학 검사 방식만으로는 더 이상 충분하지 않게 되었습니다.
게다가, 첨단 공정 노드에서 발생하는 결함은 거의 무작위적이지 않습니다. 이러한 결함은 흔히 ‘핫스팟’이라 불리는 특정 공정-레이아웃 조합에서 나타나며, 다이(die)와 웨이퍼 내의 특정 위치에 체계적으로 집중되는 경향이 있습니다. 많은 수율 문제는 각 설계에 고유한 레이아웃상의 취약점으로 인해 발생하며, 제품별로 특화된 문제인 경우가 많습니다.
이로 인해 역설적인 상황이 발생합니다. 전기적 결함을 탐지하려면 전자빔 전압 대비 검사가 필요하지만, 전자빔 검사는 본질적으로 광학 방식보다 속도가 느리기 때문입니다. 해결책은 극도의 효율성에 있습니다.
DirectScan이란 무엇인가? – 전자빔 검사 분야의 패러다임 전환
DirectScan은 eProbe(전자빔 장비), FIRE(PDF의 GDS 분석 플랫폼), Exensio(데이터 분석용)라는 세 가지 핵심 구성 요소를 결합한 솔루션입니다. 이 솔루션의 핵심에는 전자빔 검사 방식을 근본적으로 재구상한 ‘PointScan’이라는 기술이 자리 잡고 있습니다.
기존의 전자빔 검사기는 관심 영역을 래스터 방식으로 스캔하여 전체 이미지를 캡처한 다음, 칩 간 비교를 수행해 결함 픽셀을 식별하는 방식으로 작동합니다. 이 검사기는 어떤 특징을 검사하고 있는지 파악하지 못한 채, 유용한 전압 대비 신호를 제공하지 않는 유전체 영역을 포함해 모든 부분을 스캔합니다.
반면 eProbe의 PointScan은 비접촉식 전기 테스터로 작동합니다. 이 장비는 테스트 대상 장치(DUT) 사이를 이동하며, 관심 대상인 특정 패드 간의 전압 차이를 측정하는 동시에 유전체 영역은 완전히 건너뜁니다. 이 도구는 매 순간 정확히 무엇을 스캔하고 있는지 파악하고 있습니다. 즉, 모든 검사 지점의 정확한 ‘GPS 위치’와 레이아웃 속성을 알고 있는 것입니다. 이것이야말로 진정한 의미의 설계 인식 검사입니다.
효율성 향상 폭은 상당합니다. 메탈 3 단계에서 개방된 비아(via)를 대상으로 한 백엔드 라인(BEOL) 사례에서, FIRE 분석을 통해 총 120미터에 달하는 메탈 러너 길이 중 검사 대상은 단 3미터에 불과하다는 사실이 확인되었습니다. 이는 전체 면적의 고작 2.5%에 해당하는 수준입니다. MOL 게이트-드레인 단락 검출의 경우, 전체 접점 중 1%만 스캔하면 되었습니다. 접점의 30%를 검사해야 하는 게이트 스트링거 검사처럼 그 효과가 덜 두드러지는 경우에도, 이 도구는 여전히 유전체 영역의 50~75%를 스캔하지 않아도 되므로, 기존 방식에 비해 전체 검사 면적이 10% 미만으로 줄어듭니다.
DUT 밀도에 따라 PointScan은 시간당 수십억 개의 DUT를 스캔하면서 기존 단일 빔 장비보다 20~100배 더 빠른 처리 속도를 달성할 수 있습니다.
전자빔 검사에서 디자인 기반 학습 및 속성 분석을 활용하는 방법은 무엇인가?
DirectScan과 FIRE의 연동을 통해 여러 레이어에 걸친 정교한 레이아웃 분석이 가능해집니다. FIRE는 각 접점 또는 패드에 대해 드레인 접점인지 게이트 접점인지 여부, 트랜지스터 임계 전압, 극성, 확산 단절부와의 근접성 등 관련 속성을 추출합니다.
eProbe KLARF 출력 데이터에는 이러한 사전 분석된 특성에 매핑되는 속성 ID가 포함됩니다. 이를 통해 모든 속성 또는 속성 조합에 대한 불량률을 직접 계산할 수 있어, 어떤 트랜지스터 유형이나 레이아웃 구성이 결함에 가장 취약한지 신속하게 파악할 수 있습니다. 이러한 실질적인 정보를 바탕으로 공정 엔지니어는 후속 검사 레시피를 개선하고, 가장 중요한 고장 모드에 점진적으로 집중할 수 있습니다.
이러한 기능은 검사를 단순한 결함 탐지에서 벗어나, 제품 고유의 취약점을 파악하기 위한 신속한 학습 도구로 전환시킵니다.
DirectScan의 새로운 응용 분야는 무엇인가요?
PointScan의 전하 침적 감소 기술은 까다로운 검사 환경에서 결정적인 이점을 제공합니다. 백사이드 전원 공급 네트워크(BSPDN) 웨이퍼와 3D DRAM의 경우, 본딩된 웨이퍼가 절연층을 형성하여 전하가 접지된 백사이드에 도달하지 못하게 하기 때문에 특유의 난제를 안고 있습니다. 이러한 전하 축적은 빔의 편향과 초점 불량을 유발하여, 기존의 전자빔 검사에 문제를 일으킵니다.
PointScan의 면적당 전하 증착량이 획기적으로 낮아짐에 따라 이러한 문제들이 해소되어, 이전에는 해결하기 어려웠던 검사 작업도 가능해졌습니다. PDF는 BSPDN 및 3D DRAM 웨이퍼 모두에서 이 기술의 적용 가능성을 성공적으로 입증했습니다.
아마도 가장 혁신적인 기능은 PointScan을 통해서만 구현 가능한 제어형 “충전 및 감지” 기능일 것입니다. 이 도구는 특정 위치에 머무르며 의도적으로 전하를 충전한 다음, 다른 위치로 이동하여 전압 대비 신호를 수집할 수 있습니다. 이는 DRAM 어레이의 단락 감지에 특히 유용한 것으로 입증되었습니다. 워드라인 접점에 전하를 충전하면 특정 아일랜드 노드가 밝게 빛나며, 인접한 플로팅 접점과의 단락을 드러내는데, 이는 래스터 스캐닝 방식으로는 불가능한 검사 방법입니다.
DirectScan의 산업 분야 도입 및 적용 사례에는 어떤 것들이 있나요?
2022년 초부터 eProbe 시스템이 최첨단 로직 파브에 도입되었으며, 현재 두 대의 장비가 대량 생산에 투입된 상태이고 세 번째 장비는 생산량을 점차 늘려가고 있습니다. 적용 분야는 공정 전반에 걸쳐 있습니다:
최첨단 논리:
- MOL: GAA 게이트-드레인 단락, 게이트-접점 개방, 게이트-에피/실리사이드 개방
- BEOL: M0, 1x 및 2x 층에서 체계적인 접촉 개방 및 금속 단락 발생
- BSPDN: 전원 비아 및 소스/드레인 비아의 개방 및 단락 감지
- 랜덤 로직에서의 누설 추정
최신 DRAM (2024-2025):
- 주변부 검사: 게이트-게이트 스트링어 단락, 게이트-드레인 단락, 워드라인-워드라인 단락 및 개방 회로와 그 위치 파악
- 배열 검사: 제어된 충전 및 감지 방식을 이용한 스토리지 노드 단락 검사
이 솔루션은 처리량이 높은 제품 검사 기능을 제공하여 공정 취약점을 신속하게 파악할 수 있게 하고, 첨단 본딩 구조에 대한 웨이퍼 전하량을 줄여주며, 전하 제어 및 감지 기술을 통해 완전히 새로운 검사 방식을 가능하게 합니다.
결론
반도체 미세화가 점점 더 복잡해지는 3D 아키텍처로 진화함에 따라, 검사 기술 또한 기존의 패러다임을 넘어 발전해야 합니다. DirectScan은 이러한 진화를 상징하며, 표적형 PointScan의 효율성, 설계 정보를 반영한 지능형 기술, 제품별 학습 기능을 결합하여 차세대 소자의 검사 과제를 해결합니다. 매몰 결함, 체계적 결함, 전기적 결함이 수율 손실의 주된 원인이 되는 이 산업 분야에서, 이 접근 방식은 전자빔 검사의 감도와 대량 생산의 처리량 요구 사항 사이에서 균형을 이루는 해결책을 제시합니다.