Scanning Electron Microscope (SEM, 주사현미경) 파트 2

1. 왜 반도체 공정에 SEM이 필수인가

반도체 제조는 수백 개의 공정 단계가 순서대로 진행되는 복잡한 과정이다. 각 단계에서 발생하는 결함이나 치수 오차는 다음 단계로 누적되어 최종 수율(yield)에 직결된다. 문제는 이 결함들이 nm 스케일에서 발생한다는 점이다. 육안은 물론 광학 현미경으로도 볼 수 없는 수준이다. SEM은 이 간극을 메우는 핵심 도구다. 반도체 공정에서 SEM은 크게 두 가지 역할로 나뉜다.

• Critical Dimension SEM (CD-SEM): 패턴의 치수를 정밀하게 측정
• Review SEM: 검출된 결함의 실체를 확인하고 분류

이 두 역할은 목적, 최적화 방향, 장비 스펙이 모두 다르다.

1.1. CD-SEM

CD(Critical Dimension)는 회로 패턴에서 성능을 결정하는 핵심 치수다. 게이트 길이, 컨택 홀 직경, 배선 선폭 등이 여기에 해당한다. CD-SEM은 이 치수를 나노미터 정밀도로 측정하는 전용 계측 장비다. 공정 중 특정 레이어의 CD가 설계값에서 벗어나면 트랜지스터 특성이 변하거나($V_\mathrm{t}$ shift, leakage 증가), 심하면 단락/단선 결함이 발생한다. CD-SEM은 이 공정 산포를 실시간으로 모니터링해 공정 조건을 피드백하는 역할을 한다.

CD-SEM은 패턴의 단면 프로파일을 직접 보는 것이 아니라, 탑뷰(top-down view) SE 이미지에서 선폭을 측정한다. 패턴 엣지에서 SE 신호 강도가 급격히 변하는 지점을 알고리즘으로 찾아 선폭을 계산한다. 이 엣지 위치를 정확히 찾는 알고리즘(threshold 방식, Gaussian fitting, SEM model-based measurement 등)이 CD 측정 정확도의 핵심이다.

CD-SEM은 다음 세 가지를 동시에 만족해야 한다.

1. 정확도(Accuracy): 실제 치수와의 차이가 최소화되어야 한다. 이를 위해 SEM의 배율 교정(magnification calibration)이 중요하다.
2. 재현성(Precision/Repeatability): 같은 위치를 여러 번 측정했을 때 결과가 일관되어야 한다. 보통 3σ < 0.5nm 수준이 요구된다.
3. 처리량(Throughput): 양산 라인에서는 하루 수천 장의 웨이퍼를 처리해야 한다. 측정 위치당 수 초 이내의 시간이 요구된다.

이 세 가지가 동시에 요구되기 때문에, CD-SEM은 빔 전류, 가속전압, 이미지 평균화 횟수 등을 정밀하게 최적화한 전용 recipe로 운용된다. 양산 라인의 CD-SEM은 주로 500V~1keV의 매우 낮은 가속전압을 사용한다. 이유는 다음과 같다.

• 레지스트, low-k ILD 같은 절연성 시료의 charging 억제
• 얕은 상호작용 부피로 표면 형태 정보에 집중
• 빔 유발 패턴 손상(CD shrinkage) 최소화

저전압에서 충분한 SE 신호를 얻으려면 고밝기(high brightness) FEG 소스가 필수다. 이것이 양산용 CD-SEM이 모두 FEG 방식인 이유다. CD 측정에서 평균 선폭만큼 중요한 것이 Line Edge Roughness(LER)와 Line Width Roughness(LWR)이다. LER은 패턴 엣지가 이상적인 직선에서 벗어나는 정도(3$\sigma$ 기준), LWR은 선폭이 길이 방향으로 변동하는 정도다. EUV 리소그래피에서 LER/LWR은 수율과 직결되는 핵심 지표로, CD-SEM으로 정량화된다.

1.2. Review SEM (결함 리뷰 SEM)

광학 검사기(optical inspector)나 e-beam inspector가 웨이퍼에서 결함 위치를 검출하면, Review SEM은 그 위치로 이동해 결함의 실체를 고해상도로 이미징하고 분류한다. 광학 검사기는 속도가 빠르지만 분해능이 낮아 결함이 있다는 것만 알 수 있고, 그게 파티클인지 패턴 결함인지, 어떤 종류인지는 알기 어렵다. Review SEM이 이 결함의 정체 파악 역할을 담당하며, 두 가지 자동화 기능이 핵심이다. Automatic Defect Review (ADR)은 검사기에서 넘어온 결함 좌표 리스트를 받아 자동으로 해당 위치로 이동하고 이미지를 촬영하는 기능. 수백~수천 개의 결함을 자동으로 리뷰한다. Automatic Defect Classification (ADC)는 촬영된 결함 이미지를 AI/머신러닝 알고리즘으로 자동 분류한다. 파티클, 스크래치, 패턴 결함, 브릿지, 단선 등 수십 가지 결함 유형의 카테고리로 분류하며, 각 분류에 결과에 대한 신뢰도와 함께 제공된다. ADR+ADC의 조합은 결함 분석의 자동화와 처리량을 극적으로 향상시켰다. 엔지니어가 수동으로 수천 개 이미지를 분류하던 작업이 자동화된 것이다. 하지만 ADC의 정확도는 분류 모델의 품질과 학습 데이터의 양/질에 크게 의존한다. KLA Applications Engineer의 중요한 업무 중 하나가 고객 공정에 맞는 ADC 모델을 개발하고 튜닝하는 것이다.

1.3. CD-SEM vs Review SEM 비교

	CD-SEM	Review SEM
목적	치수 측정	결함 이미징/분류
이미지 배율	고배율 고정	저배율(결함 탐색)~고배율(상세 관찰)
처리량	극히 중요	중요하지만 CD-SEM보다 낮음
분해능	측정 정확도 중심	결함 구분 가능 수준
이동 범위	제한적 (정해진 측정 포인트)	웨이퍼 전체

 

1.4. SEM의 공정 내 위치

반도체 제조 공정에서 SEM이 투입되는 시점을 단계별로 보면 다음과 같다.

공정	SEM의 역할
리소그래피 후	레지스트 패턴의 CD, LER, 프로파일 확인. 공정 조건(노광량, 포커스) 피드백.
식각 후	최종 패턴 CD 확인, 식각 프로파일(수직도, 언더컷) 검사.
CMP 후	평탄도 확인, 스크래치 결함 검사.
메탈 증착 후	배선 CD, 컨택 충전 상태 확인.
최종 검사	완성 소자의 수율 관련 결함 분류.

각 단계마다 CD-SEM과 Review SEM이 유기적으로 협력한다. CD-SEM이 공정 산포를 모니터링하고, Review SEM이 이상 징후 발생 시 결함 원인을 파악한다.

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2. 계측의 도전 과제

FinFET, GAA 나노시트처럼 3D 구조가 주류가 되면서 탑뷰 CD-SEM만으로는 한계가 생겼다. 핀 높이, 나노시트 두께, 게이트 충전 프로파일을 탑뷰로는 볼 수 없기 때문이다. 이를 보완하기 위해 cross-section SEM(단면 SEM, FIB-SEM 조합)이 활용되고, 비파괴적인 tilted beam CD-SEM도 개발되고 있다. 또한 CD가 수 nm 수준으로 줄어들면서 SEM 측정 자체의 불확도가 상대적으로 커진다. 빔 직경, 엣지 검출 알고리즘의 정의, 시료 충전 효과, 빔 유발 손상 등이 모두 측정 불확도에 기여한다. 이를 정량화하는 것이 TMU(Total Measurement Uncertainty) 분석이며, 장비 선정과 recipe 최적화의 핵심 지표다.

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3. 차세대 기술 방향

3.1. 다중 빔 SEM (Multi-beam SEM)

처리량 한계를 극복하는 가장 직접적인 방법이다. 단일 빔 대신 수십~수천 개의 전자빔을 동시에 주사해 이미지를 획득한다. 대표적으로 Zeiss의 MultiSEM 시리즈는 91~325개의 전자빔을 동시 사용해 기존 단일빔 대비 처리량을 수십~수백 배 향상시킨다. KLA의 e-beam 검사 장비(eSL10 등)도 다중 빔 원리를 적용해 처리량을 대폭 높인 제품이다. 다중 빔 SEM은 단일 빔의 분해능을 유지하면서 처리량 문제를 해결하는 방향으로 반도체 검사 장비의 패러다임을 바꾸고 있다.

3.2. 구면수차 보정기 (Cs Corrector)

대물 렌즈의 구면수차를 능동적으로 상쇄하는 다극 렌즈 장치다. 분해능을 0.5nm 이하로 낮추는 데 기여하고, 저전압에서도 높은 분해능을 유지할 수 있게 해준다. 저전압 고분해능 SEM의 핵심 기술로 자리 잡고 있다.

3.3. 저전압 고분해능화

앞서 말한 저전압 운용의 장점(시료 손상 최소화, charging 억제)을 유지하면서 분해능을 높이는 방향이다. Cs corrector와 FEG의 조합, 그리고 빔 감속(beam deceleration) 기술이 핵심이다. 빔 감속은 전자빔을 고전압으로 가속한 뒤, 시료 직전에 역방향 전압을 걸어 전자를 감속시키는 방식이다. 컬럼 내에서는 높은 에너지로 수차를 최소화하고, 시료 표면에서는 낮은 에너지로 도달해 손상을 줄인다.

3.4. AI/머신러닝 기반 이미지 처리

SEM 이미지의 SNR이 낮거나 노이즈가 많은 경우, AI 기반 이미지 복원(denoising, super-resolution)으로 실질적인 분해능을 향상시키는 방향이다. 적은 빔 전류(낮은 시료 손상)로 획득한 노이즈 이미지를 AI로 복원해 고품질 이미지를 얻는 것이 가능해지고 있다. 또한 ADC에서 딥러닝 기반 분류 정확도가 크게 향상되면서, 결함 분석 자동화 수준이 높아지고 있다.

3.5. 전압 콘트라스트 기반 전기적 결함 검출

매립된 전기적 결함(미세 단락, 미세 단선)은 형태만 봐서는 보이지 않는다. 전압 콘트라스트를 이용해 전기적 상태를 시각화하는 방향이 발전하고 있다. 전자빔을 웨이퍼에 조사하면서 특정 회로 노드의 전위 상태를 이미지로 매핑하면, 패턴은 정상이지만 전기적으로 결함인 소자를 비파괴적으로 찾아낼 수 있다.

3.6. He/Ne 이온빔 현미경 (HIM)

전자 대신 헬륨(He) 또는 네온(Ne) 이온을 사용하는 현미경이다. 이온의 드브로이 파장이 전자보다 훨씬 짧아 이론적 분해능이 0.3nm 이하로 전자빔보다 우수하다. 또한 표면 민감도가 높고 charging 문제가 적다. 다만 이온빔이 시료에 에너지를 많이 전달해 손상이 심하고, 장비 가격이 매우 높다. 현재는 연구 목적으로 주로 사용되며 양산 적용은 제한적이다.

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4. 비SEM 계측 기술과의 경쟁/보완

SEM의 한계를 보완하는 비파괴 계측 기술들도 빠르게 발전하고 있다.

OCD(Optical Critical Dimension): 광학 산란계(scatterometry) 기반으로 패턴의 CD와 프로파일을 비파괴적으로 측정한다. 처리량이 매우 높고 시료 손상이 없어 인라인 공정 모니터링에 널리 사용된다. 단 직접 이미지를 보는 게 아니라 모델 기반 역산(inverse problem)이라 복잡한 3D 구조에서 정확도 한계가 있다.

X선 기반 계측(XRR, XRD, SAXS): 비파괴적이고 평균적 정보를 빠르게 얻을 수 있지만 공간 분해능이 SEM보다 크게 떨어진다.

원자력 현미경(AFM): 표면 형태를 원자 스케일로 측정 가능하지만 처리량이 극히 낮고 측정 범위가 좁다.

SEM은 이들과 경쟁하기보다 상호 보완하는 위치에 있다. OCD가 빠른 공정 모니터링을 담당하고, 이상 징후 발생 시 SEM이 직접 이미지로 원인을 파악하는 역할 분담이 표준이다.

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5. KLA E-Beam Division

KLA는 반도체 공정 제어(Process Control) 장비 시장의 절대적 강자다. 웨이퍼 검사, 레티클 검사, 계측(metrology) 전 영역에 걸쳐 제품을 보유하고 있으며, 그 중 E-Beam Division은 전자빔 기반 검사 및 리뷰 장비를 담당한다.

KLA의 e-beam 장비는 크게 세 카테고리로 나뉜다.

• e-beam 검사기(Inspector): 웨이퍼 전체에서 결함을 검출
• e-beam 리뷰(Review SEM): 검출된 결함의 이미지 획득 및 분류
• e-beam 계측(Metrology): CD, 오버레이 등 치수 측정

반도체 fab에서 결함 검사는 광학 검사기가 1차적으로 담당한다. 그러나 기술 노드가 진행될수록 광학 검사기의 한계가 드러난다. 10nm 이하 노드에서는 광학 검사기로 검출되지 않는 결함들이 수율에 결정적 영향을 미친다. 특히 다음 두 가지 유형이 광학으로 잡히지 않는다. 전기적 결함(Electrical Defect)은 패턴 형태는 정상이지만 전기적으로 단락/단선된 경우. 광학으로는 보이지 않고 전압 콘트라스트로만 검출 가능하다. 또한 광학 파장보다 작은 물리적 결함과 같은 서브 광학 결함(Sub-optical Defect)은 E-beam의 높은 분해능으로만 검출 가능하다.

5.1. KLA E-Beam Division 

5.1.1. 다중 빔

KLA e-beam 검사기의 가장 중요한 기술적 차별점이다. 단일 빔 방식으로는 처리량이 너무 낮아 양산 라인에 적용이 불가능했는데, 다중 빔으로 이 한계를 극복했다. KLA의 eSL10 시리즈는 다중 전자빔을 동시에 주사해 단일 빔 대비 처리량을 대폭 향상시켰다. 각 빔은 독립적으로 웨이퍼 위를 스캔하면서 신호를 수집하고, 이를 병렬로 처리해 이미지를 구성한다. 다중 빔 구현의 기술적 도전은 다음과 같다.

• 수십~수백 개의 빔을 각각 독립적으로 집속하고 편향해야 함
• 빔 간 간섭(crosstalk) 최소화
• 각 빔에서 나오는 신호를 병렬로 처리하는 고속 데이터 처리 시스템

5.1.2. 전압 콘트라스트 (Voltage Contrast) 검사

전자빔을 웨이퍼에 조사하면 시료 표면에 전하가 축적되고, 회로 노드의 전기적 상태(연결 여부)에 따라 방전 경로가 달라진다.  정상적으로 접지된 노드는 전하가 빠르게 방전되어 어둡게, 단선된(floating) 노드는 전하가 축적되어 밝게 보인다. 이를 통해 패턴 형태만으로는 보이지 않는 전기적 결함을 비파괴적으로 검출할 수 있다. 이 기법은 특히 다음 영역에서 강력하다.

• 컨택/비아 불량: 컨택이 제대로 연결되지 않은 경우
• STI 결함: 소자 분리 영역의 누설
• 게이트 산화막 결함: 산화막 pinhole에 의한 단락

5.1.3. Die-to-Die / Die-to-Database 비교

Die-to-Die(D2D)는 같은 웨이퍼 위의 동일 패턴을 가진 두 다이(die)의 이미지를 픽셀 단위로 비교한다. 두 다이가 달라 보이는 위치가 결함 후보다. 연산이 빠르고 알고리즘이 단순하지만, 두 다이가 동일한 결함을 가지면 검출이 불가능한 단점이 있다. Die-to-Database(D2DB)는 실제 측정 이미지를 CAD 데이터(설계 파일)에서 시뮬레이션한 이미지와 비교한다. D2D의 단점을 극복할 수 있지만 정확한 SEM 이미지 시뮬레이션이 필요하다.

5.1.4. 고속 데이터 처리 및 AI

e-beam 검사기가 생성하는 데이터량은 방대하다. 다중 빔으로 수십억 픽셀의 이미지를 실시간으로 처리하고 결함 후보를 추출해야 한다. KLA는 이를 위한 고속 신호 처리 하드웨어와 AI 기반 결함 검출 알고리즘을 장비에 통합한다. 특히 딥러닝 기반의 Nuance™ 같은 KLA의 독자적 AI 플랫폼은 노이즈와 실제 결함을 구분하는 능력을 지속적으로 향상시키고 있다.

5.2. Applications Engineer의 역할

KLA E-Beam Division의 Applications Engineer(AE)는 장비와 고객 사이의 핵심 연결고리다.

5.2.1. Recipe 개발

고객의 특정 공정 레이어에 최적화된 검사 recipe를 개발한다. 가속전압, 빔 전류, 스캔 속도, 검출 알고리즘 파라미터 등을 최적화해 검출 감도(sensitivity)와 처리량(throughput) 사이의 최적 균형을 찾는다. 공정 조건과 측정 결과 사이의 관계를 데이터로 분석하고 최적 파라미터를 찾는 것이다.

5.2.2. Tool Characterization

새로운 장비가 고객 fab에 설치됐을 때, 그 장비의 분해능, 처리량, 반복성 등 핵심 스펙을 실제로 측정하고 검증한다. 이 결과가 BKM(Best Known Method) 문서로 정리된다.

5.2.3. 결함 분석 지원

고객이 공정 이상으로 갑자기 결함 수가 증가했을 때, AE는 현장에서 함께 결함 이미지를 분석하고 원인을 추정하는 역할을 한다. 공정에 대한 이해 없이는 불가능한 일이다. 이 지점에서 기혁 씨의 공정 경험이 직접적인 강점이 된다.

5.2.4. H2H (Head-to-Head) 평가

경쟁사 장비와 KLA 장비를 동일 조건에서 비교 평가하는 작업이다. 고객이 장비 구매를 결정하기 전에 수행하며, AE가 KLA 장비의 성능을 최대한 발휘할 수 있는 조건을 세팅하고 결과를 분석하는 역할을 한다. 영업적으로도 매우 중요한 업무다.

5.3. 현재 트렌드와 KLA의 방향성

5.3.1. GAA/CFET 노드 대응

나노시트 GAA, 향후 CFET 구조는 3D 복잡도가 급격히 높아지면서 기존 탑뷰 SEM으로 잡을 수 없는 결함 유형이 늘어난다. 매립된 게이트, 나노시트 사이 공간, 수직 컨택 등을 비파괴적으로 검사하는 기술이 요구된다. 전압 콘트라스트와 다중 빔의 조합이 이 방향의 핵심 솔루션으로 부상하고 있다.

5.3.2. 인라인 100% 검사를 향해

현재는 통계적 샘플링 검사가 표준이다. 그러나 첨단 노드에서 희귀 결함(killer defect)이 수율을 결정하는 비중이 커지면서, 더 많은 웨이퍼/레이어를 검사하는 방향으로 가고 있다. 다중 빔 기술의 처리량 향상이 이 방향을 가능하게 하는 기술적 기반이다.

5.3.3. 공정 제어 루프와의 통합

검사 결과가 단순히 결함 리포트로 끝나는 게 아니라, 공정 장비(스캐너, 식각기, 증착기)에 실시간 피드백으로 연결되는 APC(Advanced Process Control) 루프와 통합되는 방향이다. KLA의 검사/계측 데이터가 공정 레시피를 자동으로 조정하는 시스템이다.