반도체가 점점 집적화, 3차원화 되면서 각 공정마다 결과물을 검사(Inspection)하거나, 소재를  테스트 하는 게 점점 더 어려워지고 있다. 이를 해결하기 위한 다양한 테스트 방식이 연구되고 있다. 이 중 라만 분광법(Raman Spectroscopy)을 이용한 모니터링 방식이 몇 가지 소개되고 있다.

라만분광법은 빛이 어떤 매질을 통과할 때 빛의 일부가 진행방향에서 이탈해 다른 방향으로 진행하는 산란(Scattering) 현상을 이용한다. 1928년 인도 과학자인 찬드라 세카르 라만이 발견했다. 산란된 빛의 세기를 측정해 값을 얻는다.  

표성규 중앙대 융합공학부 교수는 지난 4일 대구 엑스코에서 열린 한국공업화학회 춘계학술대회에서 에피택셜(epitaxial) 웨이퍼의 표면을 라만분광법을 이용해 테스트해 실제로 문제점을 찾아낸 사례에 대해 발표했다.

표성규 중앙대 교수가 라만분광법을 이용한 반도체 웨이퍼 모니터링 연구결과를 발표하고 있다. /KIPOST

그는 “웨이퍼 표면에 원자층증착(ALD) 방식으로 비정질실리콘(a-Si)을 성장시킬 때 표면의 결함 모니터링이 필요하다”며 “그런데 그동안 측정 방법이 없었고, 실제 공정에 적용한 다음 나오는 데이터를 통해서만 할 수 있었는데 라만 방식으로 유의미한 테스트 결과를 얻었다”고 설명했다.  

에피웨이퍼의 표면에 각각 다른 조건을 대입하고 라만분광법과 반치전폭(FWHM, 어떤 함수의 폭을 나타내는 용어로서, 그 함수의 최댓값의 절반이 되는 두 독립변수 값들의 차이)을 비교해  위치별로 결과 값을 비교해 우수한 막질을 판별했다. 

“실제로 수율이 낮을 때 에피웨이퍼의 문제인지, 반도체 공정상의 문제인지를 테스트해 책임 소재를 가릴 수 있었다”고 말했다.  

에피웨이퍼는 반도체에 회로를 구현하는 데 필요한 토대다. 건설 공사로 치면 골조를 올리기 전 기초공사를 통해 평평하게 다져진 땅과 같다. 에피웨이퍼를 공정에 투입하기 전에 미리 표면 테스트를 할 수 있다면 단순히 책임 소재를 가릴 수 있는 것뿐만 아니라 반도체 생산 수율을 대폭 개선할 수 있다.

표 교수는 “습식세정(Wet Cleaning)시 완전하게 제거되지 않은 성분, 첨가제 등도 라만 모니터링을 통해 간단하게 분석할 수 있는 방법이 다수 제안되고 있다”고 덧붙였다.   

허훈 한국생산기술연구원 고온에너지시스템그룹 연구원은 화학기상증착(CVD) 공정에서 라만 분광법을 이용해 박막(Thin film)을 분석하는 방법에 대해 소개했다.

허 연구원은 “실시간으로 박막을 초기 성장 시킬 때부터 모니터링 할 수 있다”며 “공정을 최적화할 때 개발 기간을 단축하고 비용 절감도 할 수 있다”고 말했다.

그는 미세 공정화 될수록 저항이 급격하게 증가하는 구리(Copper)나 산화티타늄(TiO2) 등을 모니터링 할 때 활용할 수 있는 방법을 연구하고 있다고 밝혔다.

최근 반도체 업계에서는 미세공정이나 3D 구조 반도체의 검사, 모니터링, 테스트가 병목으로 지목되고 있다. 소자를 제조공정을 모두 끝낸 뒤 테스트를 통해 간접적으로 결함을 알아내거나 공정 중간에 일부 웨이퍼를 절단해 양품 여부를 확인해야 하는 등 수율 및 처리량(쓰루풋)에 영향을 줄 수 있는 낭비 요인이 되고 있기 때문이다.   

일례로 3D낸드플래시의 전극 형성용 기공(홀) 내부 표면을 바닥까지 검사할 수 있는 장비는 아직 개발되지 않고 있다. 극자외선(EUV) 장비에 필요한 검사 솔루션도 아직 없다.