제품 패턴 계측에서 시험 표적과 소자 깊이가 다른 이유

웨이퍼 가장자리의 계측 표적은 규격을 통과했는데, 실제 회로 안에서는 식각 깊이가 모자란다. 장비가 고장 났다는 결론부터 내리기 쉽다. 하지만 표적과 제품이 같은 공정을 거쳤다고 해서 같은 구조로 완성되는 것은 아니다. 제품 패턴 계측에서 먼저 확인할 것은 장비의 반복성보다 표적이 제품을 얼마나 대표하는지다.

표적은 신호를 얻기 좋도록 넓고 규칙적으로 설계할 수 있다. 제품에는 좁은 구멍, 서로 다른 주변 간격, 여러 재료와 높이가 섞여 있다. 이런 차이는 두 경로로 측정값에 들어온다. 실제 공정 결과가 달라질 수 있고, 같은 치수라도 계측 신호를 치수로 바꾸는 과정에서 편향이 달라질 수 있다. 이 둘을 구분하지 않으면 실제 소자 깊이 차이를 장비 보정으로 지워 버리거나, 장비 편향을 공정 불량으로 오인한다.

표적과 제품이 다른 속도로 식각된다면

실제 사례의 한 단서는 미세구조의 식각 연구에서 찾을 수 있다. Shi 등의 프랙털 시험 패턴 제작 논문은 형상과 면적이 다른 구조를 함께 식각했을 때 작은 구조, 특히 고립된 구멍에서 더 얕은 깊이가 나타난다고 보고했다. 이는 특정 DRIE 공정의 관찰이며 모든 식각에서 밀도와 속도의 관계가 같다는 뜻은 아니다. 원 논문 3.A절, PDF 3쪽

차이를 계산으로 드러내기 위해 별도의 가상 공정을 만들자. 국소 개구율 ρ가 클수록 반응종 공급 부담이 커지는 상황을 가정하고, 깊이를 d = r₀t/(1 + αρ)로 정한다. r₀는 120nm/min, 시간 t는 1분이다. α는 주변 패턴 영향의 세기를 나타내는 무차원 계수다. 이 식은 설명용이며 위 논문의 실험식이나 공정 처방이 아니다.

표적의 ρ는 0.1, 제품의 ρ는 0.5이고 α = 1이면 깊이는 각각 109.1nm와 80.0nm다. 측정 장비가 두 깊이를 완벽히 읽어도 차이가 29.1nm 난다. 반복 측정의 산포가 작다는 사실은 이 차이를 없애 주지 않는다.

한 번 맞춘 보정값이 계속 맞을까

두 위치를 직접 비교한 뒤 ‘제품 깊이 = 표적 깊이 − 29.1nm’라는 보정을 등록했다고 하자. 공정 조건이 변해 α가 0.5가 되면 표적은 114.3nm, 제품은 96.0nm가 된다. 이전 보정은 제품을 85.2nm로 예측한다. 오차는 약 10.8nm다. 표적은 여전히 정확히 측정됐지만 표적에서 제품으로 넘어가는 관계가 바뀐 것이다.

현실에서는 개구율 외에 형상, 종횡비, 재료, 주변 구조가 작용하며 반대 방향의 패턴 의존성도 가능하다. 따라서 개구율 하나로 모든 제품을 보정한다는 결론을 내려서는 안 된다. 이 계산이 보여 주는 것은 단 하나다. 특정 조건에서 얻은 표적과 제품의 차이를 영구적인 상수로 취급하려면 그 관계의 안정성을 먼저 검증해야 한다.

계측 자체의 편향도 별도로 남는다. IRDS 2024 계측 보고서는 같은 시료의 반복 측정으로는 형상·재료·배치가 바뀔 때 생기는 측정 편향을 알아낼 수 없다고 설명한다. 제조 중 사용하는 참조 시료가 실제 공정 단계와 구조, 평가할 변동을 대표해야 한다는 요구도 이 때문이다. IRDS 2024, 본문 18쪽 5.4.2절

제품 패턴 계측의 검증은 표적과 제품을 몇 가지 대표 조건에서 함께 측정하는 데서 시작한다. 두 위치의 실제 형상 차이와 장비 응답 차이를 독립적인 단면 등으로 나누고, 공정이나 구조가 바뀐 뒤에도 관계가 유지되는지 확인한다. 표적은 편리한 감시 지점이다. 그 숫자를 실제 소자의 숫자로 해석할 수 있는 범위까지 확인해야 공정 제어의 근거가 된다.