디프로세싱

디캡: 패키지를 연다

전면에서 다이를 보려면 먼저 패키지를 열어야 한다. 디캡(Decapsulation)의 목표는 다이 표면과 본딩 부위를 드러내면서도 와이어와 패드는 살려 두는 것이다. 연결이 살아 있어야 연 뒤에도 전원을 넣어 불량이 그대로인지 확인할 수 있고, 전면 에미션이나 프로빙을 이어 갈 수 있다. 5장의 X선 영상으로 다이 위치와 와이어 높이를 먼저 확인하고 시작한다.

몰드 수지는 에폭시에 실리카 필러를 70~90% 채운 복합재다. 에폭시를 녹이면 필러는 씻겨 나간다. 방법은 크게 넷이다.

• 습식(산) 디캡. 가열한 발연 질산이 에폭시를 빠르게 분해한다. 금 와이어와 보호막은 견디지만 구리와 은 와이어는 녹는다. 구리 와이어 제품에는 질산에 황산을 섞고 온도를 낮춰 구리 침식을 늦춘다. 알루미늄 패드는 진한 질산에서는 부동태로 버티지만 물이 섞이면 부식되므로, 헹굼은 물이 아닌 아세톤 같은 용제로 한다.
• 레이저 절삭 + 약한 습식. 레이저로 수지 대부분을 깎아 내고 다이 위에 얇은 수지를 남긴 뒤, 짧은 산 처리로 마무리한다. 산에 닿는 시간이 줄어 구리 와이어에 유리하다. 레이저가 다이에 닿으면 보호막과 회로가 타므로 다이 위 수십 µm에서 멈춘다.
• 플라즈마 디캡. 산소 라디칼로 에폭시를 태운다. 금속을 거의 건드리지 않아 구리·은 와이어에 가장 안전하지만 느리고(수 시간), 타지 않는 필러를 주기적으로 털어 내야 한다. 속도를 올리려고 불소계 가스를 섞으면 질화막 보호막까지 깎인다.
• 기계적 개봉. 세라믹·금속 뚜껑 패키지는 뚜껑을 떼면 된다. 플립칩처럼 회로면이 아래를 향한 패키지는 후면을 갈아 실리콘을 드러낸다. 몰드 패키지를 위에서 갈면 와이어 고리가 잘려 전기 측정이 불가능해진다.

층을 걷어 내는 네 가지 도구

다이가 드러나면 보호막부터 아래로 내려간다. 층 제거(Delayering)의 도구는 넷이고, 어느 하나로 끝까지 가는 일은 드물다. 층마다 재질이 바뀌므로 도구도 바꿔 가며 쓴다.

• 건식 식각(RIE). 불소계 플라즈마(CF₄, CHF₃, SF₆)가 산화막과 질화막을 휘발성 SiF₄로 날린다. 이온이 수직으로 들어와 이방성이고, 구리와 알루미늄은 불소와 휘발성 화합물을 만들지 않아 거의 깎이지 않는다. 그래서 금속 위에서 저절로 멈추지만, 금속이 없는 곳은 계속 내려간다. 배선이 마스크가 되어 배선 사이만 깊게 패이는 것이다. 저유전막(low-k)은 플라즈마에 탄소를 잃고 다공성이 되어, 뒤이은 습식 처리에서 예상보다 훨씬 빨리 녹는다. 식각 원리는 ProcessBook 식각 장을 참조한다.
• 습식 식각. 약품이 특정 재질만 녹인다. 선택비가 매우 높다는 것이 장점이다. 알루미늄은 인산·질산·초산 혼합액, 티타늄·질화티타늄·텅스텐은 가열한 과산화수소, 산화막은 완충 불산(BOE)으로 제거한다. 단점은 등방성이다. 옆으로도 같은 속도로 파고들어 배선 밑을 도려내고(언더컷), 틈이나 비아를 타고 아래층까지 스며든다. 서로 다른 금속이 맞닿은 곳에서는 전지가 만들어져 한쪽이 유난히 빨리 녹는 갈바닉 효과(Galvanic effect)도 생긴다. 접합에 연결된 배선과 그렇지 않은 배선이 다른 속도로 녹는 것도 같은 이유다.
• 기계 연마. 재질을 가리지 않고 높은 곳부터 평평하게 깎는다. 구리 다마신 배선에서는 이것이 주력이다. 구리와 탄탈 배리어, 절연막이 한 층 안에 섞여 있어 식각으로 금속만 골라 걷어 내기 어렵기 때문이다(배선, CMP). 선택비가 1에 가까우므로 멈추는 시점은 전적으로 사람이 정한다.
• 플라즈마 FIB 평면 디레이어링. 제논(Xe) 이온 빔을 넓게 주사하면서 보조 가스를 흘려 구리와 절연막의 깎이는 속도를 비슷하게 맞춘다. 수십~수백 µm 창 안에서 한 층씩 평탄하게 내려가고, 깎는 동안 SEM 영상이나 이차 전자 신호로 층이 바뀌는 순간을 본다. 관심 영역만 깎으므로 나머지 다이는 보존된다. 장비가 비싸고 면적이 작으며, 이온 주입과 표면 비정질화가 남는다. 이온 빔의 원리는 11장에서 다룬다.

선택비와 과식각

층 제거에서 가장 자주 쓰는 숫자는 선택비(Selectivity), 곧 걷어 낼 층과 남길 층의 식각 속도 비다. 다이 위의 막 두께는 균일하지 않으므로, 가장 두꺼운 곳까지 다 걷어 내려면 얇은 곳은 그동안 아래층이 깎인다.

평행 연마: 평탄도가 전부다

연마는 시료를 치구에 붙여 회전하는 정반 위에 누르고, 다이아몬드 필름이나 콜로이달 실리카 슬러리로 조금씩 갈아 내는 작업이다. 선택비가 없으므로 깎인 면이 층과 나란해야 한다. 금속 한 층의 두께는 하부 배선에서 100 nm 안팎인데, 다이는 수 mm다. 면이 아주 조금만 기울어도 한쪽 끝과 반대쪽 끝이 서로 다른 층에 놓인다.

기울기 말고도 연마가 남기는 형상이 있다. 다이 가장자리와 모서리는 압력이 몰려 먼저 깎인다(가장자리 라운딩). 결함이 가장자리 가까이에 있으면 다이 둘레에 더미 실리콘을 붙여 가장자리를 바깥으로 옮기기도 한다. 넓은 구리 배선은 주변 절연막보다 무르기 때문에 가운데가 접시처럼 꺼진다(디싱). 연마 입자가 뭉치거나 떨어진 조각이 끼면 긴 스크래치가 남는다. 저유전막은 접착력이 약해 연마 압력에 층째 벗겨지기도 한다. 그래서 입자를 단계적으로 줄이고(수 µm → 1 µm 이하 → 콜로이달 실리카), 자주 꺼내 현미경으로 확인하고, 치구를 다시 맞춘다.

종말점: 지금 어느 층에 있는가

디프로세싱에는 공정 장비 같은 자동 종말점 검출이 없는 경우가 많다. 조금 깎고, 꺼내서 보고, 다시 깎는다. 지금 어느 층인지 알려 주는 단서는 넷이다.

• 색. 투명한 절연막은 두께에 따라 간섭색이 달라진다. 깎아 내려가면 색이 주기적으로 바뀌고, 한 시야 안에 색 줄무늬가 보이면 그만큼 두께가 기울어 있다는 뜻이다.
• 패턴. 배선은 층마다 방향이 수직으로 바뀐다. 가로줄이 보이다가 세로줄이 드러나면 한 층을 내려온 것이다. 상부 층은 굵고 성기며 하부로 갈수록 가늘고 촘촘하다. 레이아웃과 대조하면 층 번호를 확정할 수 있다.
• SEM. 광학 현미경은 절연막을 투과해 그 아래 금속까지 보여 주므로, 금속이 실제로 드러났는지는 알기 어렵다. 저전압 SEM은 표면만 본다. 금속이 드러나면 밝고 윤곽이 또렷해지며, 얇은 절연막이 남아 있으면 흐리고 대전된다.
• 두께 측정. 반사 분광으로 남은 절연막 두께를, 단차 측정으로 깎인 깊이를 잰다. 공정 단면 정보(층별 두께)가 있으면 남은 거리를 계산할 수 있다.

간섭색은 막의 윗면과 아랫면에서 반사된 빛이 겹쳐 생긴다. 수직 입사에서 보강 조건은 다음과 같다.

한 층만 더, 의 위험

층 제거에서 가장 흔한 실패는 덜 깎는 것이 아니라 더 깎는 것이다. 덜 깎았으면 조금 더 깎으면 된다. 지나쳤으면 끝이다. 어디서 멈출지는 이 장이 정하지 않는다. 4장의 진단이 지목한 넷과 층, 7장과 8장의 위치 추적이 준 좌표가 정한다. 앞 단계의 정보가 좋을수록 멈출 자리가 분명해진다. 아래 작업대에서 직접 해 보자. 금속 4층으로 단순화한 모델이고, 결함은 V2(M2와 M3 사이 비아)의 바닥에 숨어 있다. 목표는 그 비아 위의 M3 표면을 드러내고 멈추는 것이다.

평면인가 단면인가, 어느 층에서 멈출 것인가

결함을 눈으로 보는 길은 둘이다. 평면 디프로세싱은 넓은 영역을 한 층에서 본다. 정상 구조와 나란히 비교할 수 있고, 금속이 드러나 있으므로 전압 대비와 나노프로빙(10장)으로 전기적 확인을 이어 갈 수 있다. 대신 깊이 방향 정보가 없고, 위층은 모두 사라진다. 단면(11장)은 한 지점을 수직으로 잘라 층 사이의 계면까지 보여 준다. 대신 자른 선 위에 결함이 없으면 아무것도 보이지 않는다. 위치를 수십 nm 안으로 알 때만 쓸 수 있다.

그래서 흔한 순서는 평면으로 내려가 결함 지점을 전기적으로 확정한 다음, 그 한 점을 단면으로 자르는 것이다. 위치 추적이 이미 한 점을 정확히 가리키고 결함이 층 사이 계면에 있을 것으로 보이면 평면을 건너뛰고 바로 단면으로 가기도 한다.

멈출 층은 결함 가설에 따라 다르다.

게이트 산화막 핀홀은 수 nm 크기라 그대로는 보이지 않는다. 그래서 일부러 흔적을 키운다. 폴리실리콘을 녹이면서 산화막은 거의 건드리지 않는 식각액(가열한 TMAH 등)을 쓰면, 온전한 산화막 아래의 실리콘은 보호되고 핀홀 아래에만 구덩이가 파인다. 이런 방법을 데코레이션(Decoration)이라 한다. 전위나 적층 결함 같은 결정 결함은 결함 주변이 더 빨리 녹는 선택 식각액(라이트, 세코 식각 등 산화제와 불산의 혼합액)으로 식각 구덩이를 만들어 드러낸다. 이 약품들은 크롬산 계열을 포함해 독성이 강하므로 다루는 곳이 제한되고, 지금은 단면 TEM(12장)이 많은 부분을 대신한다.

인공물: 내가 만든 흔적을 범인으로 몰지 않기

디프로세싱은 시료에 힘과 약품과 플라즈마를 가한다. 그 과정에서 생긴 흔적을 인공물(Artifact)이라 하고, 이것을 원래 있던 결함으로 오인하는 것이 이 단계의 가장 큰 위험이다. 드러난 표면에서 이상한 것을 보았다면 먼저 내가 만든 것이 아닌지 묻는다.

공통된 원칙은 셋이다. 첫째, 정상 부위와 비교한다. 같은 시료의 같은 구조에 같은 모양이 여럿 있으면 인공물이다. 결함은 위치 추적이 가리킨 그 자리에만 있어야 한다. 둘째, 기준 시료를 함께 처리한다. 정상 다이를 같은 조건으로 깎아 나란히 본다. 셋째, 단계마다 기록한다. 층을 하나 내릴 때마다 같은 자리의 영상을 남겨 두면, 나중에 본 이상이 어느 단계에서 생겼는지 되짚을 수 있다. 사라진 층의 증거는 그 영상뿐이다.

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