나노미터 이하 크기의 최첨단 반도체 제조 환경에서는 단 하나의 원자라도 잘못되면 전체 생산 라인이 중단될 수 있기 때문에, 밀봉된 칩을 파괴하지 않고 내부를 "볼" 수 있는 능력은 궁극적인 엔지니어링 기술이라고 할 수 있습니다. 삼성전자는 첨단 비파괴 검사(NDT)를 시작으로 다단계 결함 분석 프로토콜을 사용합니다. 물리적인 칼날이 실리콘에 닿기 전에 고해상도 음향 현미경과 3D X선 단층 촬영을 통해 내부 지형의 디지털 지도를 생성하여 패키지 깊숙이 숨겨진 공극히나 균열을 식별합니다. 의심되는 영역이 특정되면 조사는 눈에 보이지 않는 전기 신호의 세계로 전환됩니다. 광자 방출 현미경과 같은 전기 고장 분석(EFA) 기술을 사용하여 엔지니어는 장치의 미세한 전자적 신호를 추적하고 전류가 누출되거나 멈추는 정확한 트랜지스터 또는 상호 연결 지점을 찾아냅니다. 마지막으로, 이 과정은 정밀 분석으로 마무리되는데, 이 단계에서는 장치를 물리적으로 단면 절단하고 원자 수준의 화학 분광 분석을 실시합니다. 직접 만지지 않고 관찰하고, 신호를 추적하고, 물질을 분석하는 이 세 가지 통합적인 접근 방식은 삼성의 품질 보증의 핵심이며, 무작위적인 결함을 실행할 수 있는 데이터로 변환하여 생산량을 이론적 한계까지 끌어올립니다.
제품을 손상시키지 않고 검사하는 비파괴 검사 기술
삼성전자의 결함 분석 철학은 "손상 방지"라는 엄격한 원칙에서 출발하며, 비파괴 검사(NDT)를 활용하여 반도체 패키지의 물리적 상태를 변경하지 않고 내부 구조를 시각화합니다. 이 단계는 매우 중요한데, 칩을 탈피하거나 단면을 절단하면 응력 역학이 변화하여 원래의 고장 원인이 가려질 수 있기 때문입니다. 이러한 기술의 핵심 무기는 실리콘용 소나 역할을 하는 주사 음향 현미경(SAM)입니다. 엔지니어는 최대 300MHz의 초고주파 음파를 패키지에 전송하여 성형 화합물과 다이 표면 사이의 미세한 분리인 "박리"를 감지할 수 있습니다. 고주파음은 공기를 통과할 수 없기 때문에, 틈새나 균열이 있는 경우 신호가 100% 반사되어 모니터에서 뚜렷한 대비로 나타납니다. 이 기술은 플라스틱 패키지 내부에 갇힌 습기가 납땜 리플로우 과정에서 폭발적으로 팽창하여 발생하는 흔한 고장인 "팝콘 크래킹" 현상을 진단하는 데 필수적입니다. 분석가는 에코의 위상 반전을 분석하여 박리가 상단 또는 하단 계면에서 발생했는지를 판단할 수 있으므로 물리적인 절단 작업이 수행되기 전에 결함의 정확한 "깊이 지도"를 제공할 수 있습니다. 첨단 2.5D 및 3D 패키지의 조밀한 금속층 내부에 숨겨진 순수 구조적 결함을 진단하기 위해 삼성은 3D X선 컴퓨터 단층촬영(CT)을 사용합니다. 평면 2D 그림자를 생성하는 일반 의료용 X선과 달리, 이 산업용 CT는 샘플을 360도 회전시켜 수천 개의 투영 이미지를 캡처하여 칩의 입체적인 3D 모델을 재구성합니다. 이는 특히 수천 개의 미세한 솔더 범프가 실리콘 다이 사이에 끼워져 있는 고대역폭 메모리(HBM) 및 플립칩 패키지에 매우 중요합니다. CT 스캔을 통해 엔지니어는 칩의 여러 층을 가상으로 "투과"하여 "비습식" 솔더 접합부 또는 범프가 패드에 제대로 융합되지 않은 "헤드 인 필로우" 결함을 식별할 수 있습니다. 이 기술은 수백 나노미터에 불과한 미세한 특징까지 식별할 수 있을 정도로 발전하여, 섬세한 와이어를 기계적으로 건드리지 않고도 금 접합 와이어가 성형 화합물의 흐름에 의해 휘어지는 현상인 "와이어 스윕"을 감지할 수 있게 되었습니다. 구조적 이미징 외에도, 전기적 결함의 비파괴적 검출은 록인 열화상(LIT)과 시간 영역 반사 측정법(TDR)에 의존합니다. LIT는 고감도 적외선 카메라로 열 반응을 포착하는 동안 칩에 특정 주파수로 전원을 공급하는 기술입니다. 전력 펄스의 주파수에 "동조"함으로써 시스템은 배경 열잡음을 걸러내고 수 마이크로와트 정도의 미세한 누설 전류로 발생하는 "핫스팟"을 정확하게 찾아낼 수 있습니다. 이를 통해 다이의 광학 이미지 위에 완벽하게 겹치는 열 지도를 생성하여 단락 회로가 발생하는 정확한 위치를 보여줍니다. 이와 상호 보완적인 기술로 TDR(시간 감지 판독)이 있는데, 이는 전기 케이블용 레이더와 같은 역할을 합니다. 신호 핀으로 빠른 상승 시간 펄스를 보내고 반사된 펄스를 측정합니다. 전선이 끊어진 경우(개방 회로) 펄스가 일찍 반사됩니다. 반사 시간 지연을 계산함으로써 엔지니어는 "결함까지의 거리"를 매우 정확하게 파악할 수 있으며, 단선이 실리콘 다이 내부, 와이어 본드 또는 패키지 기판에 있는지를 밀리미터 단위까지 알 수 있어 후속 물리적 분석을 위한 검색 영역을 효과적으로 좁힐 수 있습니다.
전기 신호를 추적하는 EFA 분석
비파괴적인 방법을 통해 결함의 대략적인 위치를 파악한 후에는 전기적 고장 분석(EFA) 단계로 진입하여, 수십억 개의 정상적인 부품 중에서 오작동을 일으킨 정확한 트랜지스터 또는 금속 상호 연결부를 찾아내는 것을 목표로 합니다. 삼성 엔지니어들이 주로 사용하는 기술은 광자 방출 현미경(PEM)이며, 흔히 EMMI라고도 불립니다. 이 방법은 전자-정공 쌍이 결함이 있는 반도체 접합부(예: 게이트 산화막 단락 또는 래치업 현상)에서 재결합할 때 광자 형태의 희미하고 보이지 않는 에너지 폭발을 방출한다는 양자 물리학 원리에 기반합니다. 최신 플립칩 패키징은 활성 회로를 금속 및 기판 층 아래에 묻기 때문에 엔지니어는 "후면 분석"을 수행해야 합니다. 이 과정에서 실리콘 웨이퍼를 수 마이크론 두께까지 얇게 만들어 적외선에 투명하게 만들어야 합니다. 그런 다음 극저온으로 냉각된 고감도 검출기를 사용하여 칠흑 같은 어둠 속에서 이러한 스펙트럼 방출을 포착합니다. 그 결과, 회로 배치도 위에 "핫스팟" 지도가 겹쳐져 누설 전류가 물리적으로 새어 나오는 정확한 좌표를 보여줍니다. 이는 결함 자체의 낭비되는 에너지를 결함의 위치를 나타내는 신호를 효과적으로 활용하는 것입니다. 빛을 방출하지 않는 결함, 예를 들어 "완전 개방" 또는 금속 상호 연결부의 저항 단락의 경우 삼성은 레이저 기반 자극 기술, 특히 광빔 유도 저항 변화(OBIRCH) 기술을 활용합니다. PEM이 수동적으로 방출을 감시하는 것과 달리, OBIRCH는 일정한 전압을 인가하면서 칩 표면에 집중된 레이저 빔을 스캔하여 능동적으로 칩을 검사합니다. 레이저가 결함이나 공극이 있는 금속 라인에 닿으면, 금속의 열팽창 계수로 인해 국부적인 발열이 발생하고, 이에 따라 전기 저항이 순간적으로 변화합니다. 이러한 저항 변화는 전류 흐름의 변동을 유발하며, 시스템은 이를 감지하여 레이저의 위치와 연관시킵니다. 그의 기술은 금속층 사이의 연결이 완전히 끊어지지는 않았지만 불안정한 "고저항 비아"를 식별하는 데 특히 효과적입니다. 이러한 저항 변화를 매핑함으로써 엔지니어는 신호 경로를 추적하고 전기적 성능을 저하하는 구리 배선의 미세한 늘어짐을 정확히 파악하여, 심각한 고장과 열 스트레스 하에서만 나타나는 "소프트" 파라미터 문제를 구분할 수 있습니다. EFA의 마지막이자 가장 정밀한 단계는 SEM 기반 나노프로빙을 포함하는데, 이 기술은 거시적 규모의 테스트와 원자 수준의 검사 사이의 간극을 메워줍니다. 결함이 특정 논리 블록에 국한되었지만 원인이 불분명한 경우, 엔지니어는 노출된 다이를 로봇 매니퓰레이터가 장착된 주사 전자 현미경(SEM)에 삽입합니다. 이 매니퓰레이터는 끝 반경이 10나노미터 미만인 날카로운 텅스텐 바늘을 사용하여 단일 FinFET 또는 GAA 트랜지스터의 소스, 드레인 및 게이트 단자에 물리적으로 접촉합니다. 이를 통해 분석가는 문제가 있는 특정 소자의 "전류-전압(IV) 특성 곡선"만을 추출하여 "기준" 트랜지스터와 비교할 수 있습니다. 이 단계는 트랜지스터가 작동하지만 속도가 너무 느리거나 과도한 전압이 있어야 하는 복잡한 "소프트 고장"을 진단하는 데 매우 중요합니다. 트랜지스터 수준에서 전기적 동작을 분석함으로써 삼성 엔지니어들은 문제가 설계 마진 위반, 도핑 주입 오류 또는 물리적 손상인지 여부를 명확하게 확인할 수 있으며, 이를 통해 PFA 단계에서 수행되는 파괴적 단면 검사를 정당화하는 데 필요한 반박할 수 없는 전기적 증거를 제공할 수 있습니다.
미량 원소 식별을 위한 정밀 화학 분석
결함의 "위치"를 파악하는 것에서 "무엇으로 구성되어 있는지"를 이해하는 단계로 넘어가려면 원자 물리학의 경계에서 작동하는 정밀 화학 분석 단계로 넘어가야 합니다. 특정 결함 부위를 물리적으로 노출하면(일반적으로 집속 이온 빔(FIB)을 사용하여 초박형 시편을 만듦) 삼성 엔지니어들은 투과 전자 현미경과 에너지 분산형 X선 분광기(TEM-EDS)를 결합하여 분석합니다. 이 진공 환경에서 고에너지 전자빔이 시료에 조사되면 시료 내부의 원자들이 X선을 방출합니다. 주기율표의 모든 원소는 고유한 특성 에너지 준위에서 X선을 방출하기 때문에 EDS 검출기는 이러한 방출을 포착하여 색상으로 구분된 "원소 지도"를 생성할 수 있습니다. 이것은 단순한 사진이 아니라 화학적 지형도입니다. 예를 들어, 단락이 단순히 금속 덩어리가 아니라 탄탈륨 장벽층을 뚫고 지나간 구리 이동 경로라는 것을 보여줍니다. 산소, 질소, 탄소와 같은 "경량 원소"가 유전체 성능에 중요한 역할을 하는 최신 3나노미터 이하 노드에서는 엔지니어들이 EDS 분석에 전자 에너지 손실 분광법(EELS)을 추가로 활용합니다. EELS는 전자가 시료를 통과하면서 잃는 에너지의 양을 측정하여, 적절한 이산화규소 절연체와 치명적인 실리콘 과다 산화물 결함을 구별하는 것과 같은 미묘한 화학적 결합 상태를 감지하는 데 필요한 감도를 제공합니다. 하지만 TEM-EDS로 검출할 수 없을 정도로 오염 수준이 낮은 경우(ppm 또는 ppb 범위)에는 시간차 비행 이차 이온 질량 분석법(TOF-SIMS)을 사용하게 됩니다. 이 기술은 표면 분석을 위한 최고의 법의학 도구입니다. 펄스형 1차 이온 빔으로 시료 표면을 충격하여 최상층 원자를 "2차 이온" 형태를 진공으로 방출시키는 방식으로 작동합니다. 이 2차 이온들은 비행 튜브로 가속되어 검출기에 도달하는 데 걸리는 정확한 시간을 측정하여 질량을 계산합니다. 무거운 이온은 느리게 이동하고, 가벼운 이온은 빠르게 이동합니다. TOF-SIMS는 클린룸 장갑 잔류물이나 완전히 제거되지 않은 포토레지스트 폴리머와 같은 미량의 유기 오염 물질을 감지할 수 있는 독보적인 능력을 갖추고 있습니다. 더욱 중요한 것은, 엔지니어들이 칩의 각 층을 원자층 단위로 분석하여 붕소나 인과 같은 도펀트가 얼마나 깊이 확산했는지 정확하게 확인할 수 있는 "심층 프로파일링" 기능을 제공한다는 점입니다. 이러한 수직적 화학적 프로파일은 "접합부 누출"을 진단하고, 도펀트가 의도한 기하학적 우물 내에 유지되었는지 또는 어닐링 중 열 예산 위반으로 인해 이동했는지를 확인하는 데 필수적입니다. 웨이퍼 자체의 고체 상태를 넘어, 정밀 화학 분석은 유도 결합 플라스마 질량 분석법(ICP-MS)을 이용하여 제조 공정에 사용되는 액체 및 기체 전구체까지 확장됩니다. 이 방법은 주로 입고 품질 관리(IQC) 단계나 갑작스러운 수율 감소가 새로운 화학물질 배치와 관련될 때 사용됩니다. 액체 시료를 분무하여 태양 표면만큼 뜨거운(약 6,000~10,000켈빈) 아르곤 플라스마 토치에 주입하면 원자가 즉시 이온화됩니다. 질량 분석기는 이러한 이온들을 분리하여 1조분의 1(ppt) 수준의 금속 불순물을 검출합니다. 이러한 수준의 감도는 필수적입니다. 오염된 슬러리를 통해 유입된 단 하나의 철 또는 나트륨 원자만으로도 실리콘 웨이퍼의 전하 운반체 수명이 단축될 수 있기 때문입니다. 삼성의 화학 분석팀은 공장에 반입되는 모든 산 및 용매 드럼의 화학적 구성을 분석하여 일종의 생물학적 면역 체계 역할을 함으로써, "독성" 물질이 생산 라인에 도달하여 공장 전체의 생산량 급감이라는 치명적인 결과를 초래하는 것을 방지합니다.
