Chapter 14

근본 원인과 재발 방지

TEM 사진 한 장으로 사건이 끝나지는 않는다. “비아 바닥에 잔류물이 있었다”는 무엇이 잘못됐는지를 말할 뿐, 왜 잘못됐는지는 말하지 않는다. 불량 분석의 마지막 단계는 물리적 결함을 공정 단계로, 공정 단계를 장비와 조건으로, 다시 그것을 놓친 관리 체계로 되돌려 가는 일이다. 그리고 고친 뒤에는 정말 고쳐졌는지를 숫자로 확인한다. 이 장에서 CASE FB-28의 범인이 지목된다.

물리적 원인, 근본 원인, 기여 원인, 유출 원인을 구분한다.
결함의 위치·형태·성분으로 공정 순서의 어느 시점에 생겼는지 추론한다.
공통성 분석의 분할표와 피셔 정확 검정을 계산하고, 다중 비교의 함정을 설명한다.
5 Why, 특성 요인도, is/is-not, 8D의 쓰임새와 한계를 안다.
시정 조치의 효과를 표본 수와 검정력을 고려해 검증하고, 인터록·검사·FMEA로 재발을 막는다.

물리적 원인은 근본 원인이 아니다

1장에서 불량 모드, 불량 메커니즘, 근본 원인을 구분했다. 13장까지의 분석이 주는 것은 물리적 원인(Physical cause)이다. 결함이 어디에 어떤 모양으로 있고 무엇으로 이루어졌는지다. 근본 원인(Root cause)은 그보다 아래에 있다. 누군가 손을 대서 고칠 수 있는 수준, 곧 장비 부품, 레시피, 설계 규칙, 관리 체계까지 내려간 원인을 말한다. “식각 잔류물”에서 멈추면 고칠 대상이 없다. “세정 장비 2번 챔버의 가장자리 노즐 유량이 떨어졌고, 그것을 감시하는 장치가 없었다”까지 가야 조치가 나온다.

원인은 하나가 아니다. 실무에서는 적어도 세 갈래로 나누어 적는다.

구분	묻는 것	저항성 비아 사건이라면	대응하는 조치
직접 원인 (Direct cause)	결함을 직접 만든 사건	가장자리에서 식각 후 세정이 부족했다	부품 교체, 조건 복구
발생 근본 원인 (Occurrence root cause)	그 사건이 왜 일어날 수 있었나	유량 저하를 막거나 알리는 장치가 없었다	인터록, 정비 주기, 설계 변경
기여 원인 (Contributing cause)	혼자서는 불량을 못 만들지만 여유를 깎은 요인	세정 시간 여유가 작았다, 식각 후 대기 시간이 길었다	공정 여유 확대
유출 원인 (Escape cause)	왜 검사에서 걸리지 않고 다음 단계로 흘러갔나	세정 뒤 가장자리를 보는 인라인 검사가 없었다	검사·모니터 추가

유출 원인을 따로 묻는 이유는 분명하다. 발생을 완전히 없애는 것은 어렵고, 같은 종류의 문제는 다른 장비에서 다시 생긴다. 그때 웨이퍼 테스트까지 수 주를 기다리지 않고 그 자리에서 걸러 낼 수 있어야 피해가 로트 몇 개에서 끝난다.

이 단계가 알려 주지 못하는 것근본 원인 분석은 새 증거를 만들지 않는다. 앞 장에서 모은 물리적 증거와 팹의 이력 데이터를 잇는 추론이다. 따라서 결론의 품질은 증거의 품질을 넘지 못한다. 시료 한 개의 단면, 디프로세싱 중 생긴 인공물, 이력이 빠진 장비는 그대로 결론의 구멍이 된다.

결함은 언제 들어갔는가

반도체는 층을 차례로 쌓아 만든다. 그래서 결함이 무엇의 위에 있고 무엇의 아래에 있는가가 곧 시간 순서다. 지질학의 지층과 같다. 12장의 STEM 영상에서 비정질 층은 M2 구리 위, 배리어 아래에 있었다. 배리어보다 먼저, 비아가 뚫린 뒤에 생긴 것이다. 구리 듀얼 다마신 순서(ProcessBook 금속 배선)에 놓으면 후보 구간은 비아 식각에서 배리어 증착 직전까지로 좁혀진다.

지층으로 읽는 시간 순서. 붉은 층이 식각 잔류물이다. 배리어(노란 선) 아래에 있으므로 배리어 증착 전에 이미 있었다. 도금·CMP 단계의 장비는 용의선상에서 빠진다. 반대로 결함이 구리 위, 캡 아래에 있었다면 CMP 후 세정이나 캡 증착 전 대기가 후보가 된다.

위치만으로 부족하면 형태와 성분을 더한다. 세 가지가 같은 단계를 가리킬 때 추론이 단단해진다.

관찰	가리키는 공정 단계	근거
비아 바닥, 배리어 아래의 C·F·O 비정질 층	비아 식각 후 세정	불소탄소 플라즈마 식각(ProcessBook 식각)의 측벽 보호 폴리머와 성분이 같다
배선 위에 얹힌 둥근 금속 입자, 위층 막이 그 위로 볼록하다	그 막 증착 전의 낙하 이물	위층이 입자 모양을 따라 덮였다(증착 전에 있었다)
두 배선을 잇는 얇은 구리·배리어 막, 윗면이 평평하다	CMP 연마 부족	연마 면 높이에 남은 잔막
배선 폭 전체가 한쪽으로 치우친 비아	노광 오버레이	같은 필드 안에서 방향이 같다
배선 속 보이드, 음극 쪽 끝에 위치, 사용 시간에 따라 성장	공정이 아닌 사용 중 전자 이동(2장)	전류 방향과 위치가 맞고 출하 시에는 정상
단면 전체에 세로 줄무늬, 시료 표면에만 있는 Ga·Pt	공정 아님: FIB 가공 흔적(11장)	가공 면에만 있고 이웃 정상 구조에도 똑같이 나타난다

단계에서 장비로물리 분석은 “어느 단계인가”까지 알려 준다. 그 단계를 수행하는 장비가 한 대뿐인 경우는 드물다. 같은 세정 단계에 챔버가 여러 개 있고 웨이퍼마다 지나간 챔버가 다르다. 어느 챔버인지는 현미경이 아니라 팹의 이력 데이터가 말해 준다.

공통성 분석: 불량 웨이퍼는 어디를 지났나

팹의 생산 관리 시스템은 웨이퍼마다 어느 단계에서 어느 장비·챔버를 언제 지났는지를 기록한다. 공통성 분석(Commonality analysis)은 불량 군과 정상 군의 이력을 비교해 불량 군에만 유난히 많은 장비를 찾는다. 한 장비에 대해 2×2 분할표를 만든다.

	불량 웨이퍼	정상 웨이퍼	합
의심 장비를 지남	a	b	n = a + b
다른 장비를 지남	c	d	N − n
합	K = a + c	N − K	N

장비와 불량이 무관하다면, 불량 웨이퍼 K장은 N장 가운데 아무렇게나 섞여 있을 것이다. 그때 의심 장비를 지난 n장 안에 불량이 k장 들어갈 확률은 초기하 분포를 따른다. 피셔 정확 검정(Fisher's exact test)의 p값은 관측값 a 이상으로 치우칠 확률이다.

$$P(X=k)=\frac{\binom{K}{k}\binom{N-K}{n-k}}{\binom{N}{n}}, \qquad p=\sum_{k \ge a} P(X=k)$$

예: 웨이퍼 40장 중 불량 10장, 2번 챔버를 지난 웨이퍼 13장 가운데 불량이 10장 모두 들어 있다면 $p=\binom{13}{10}/\binom{40}{10}\approx 3\times10^{-7}$. 표본이 작아도 근사 없이 계산되는 것이 카이제곱 검정과 다른 점이다.

여기에 함정이 있다. 단계가 수백 개, 단계마다 장비가 여러 대면 검정을 수천 번 하게 된다. 유의수준 0.05로 m번 검정하면 아무 원인이 없어도 적어도 하나가 유의하게 나올 확률이 $1-(1-0.05)^m$이다. m = 22만 되어도 약 68%다. 가장 단순한 대책인 본페로니 보정(Bonferroni correction)은 기준을 $\alpha/m$으로 낮춘다. 아래에서 직접 겪어 보자.

SIMULATOR

공통성 분석: 장비 이력에서 용의자 찾기

범인 장비의 효과 웨이퍼 간 잡음 σ 웨이퍼 수 N 전용 경로 (앞 단계 장비와 묶여 다님) 정답 표시

이 단계의 최소 p값—

분할표 a·b / c·d—

p < 0.05 / 보정 통과 (22대 중)—

판정—

해볼 것: ① 처음 상태는 FB-28이다. 단계를 하나씩 눌러 보면 세정 2번 챔버만 보정 기준(붉은 점선)을 넘는다. ② 효과를 0으로, 잡음을 8 이상으로 올리고 “새 사건”을 여러 번 누른다. 범인이 없는데도 p < 0.05(노란 막대)가 종종 나온다. 본페로니 기준은 거의 넘지 못한다. ③ “전용 경로”를 켜면 범인 바로 앞 단계의 한 장비도 함께 유의해진다. 통계는 둘을 구별하지 못한다. 결함이 어느 층 아래에 있는지가 구별한다. ④ 웨이퍼 수를 12로 줄이면 진짜 범인도 기준을 넘지 못한다. (불량 웨이퍼 = 가장자리 불량률 12% 초과, 한쪽 꼬리 검정)

공통성 분석이 주는 것은 상관이다. 인과는 아니다. 특정 제품이 특정 장비만 쓰도록 묶여 있거나, 정비 직후의 장비에 새 로트가 몰리면 죄 없는 장비가 유의하게 나온다. 그래서 통계가 지목한 장비는 반드시 물리적 증거와 맞춰 본다. 그 장비가 결함이 들어간 구간(위 그림의 ①~②)에 있는가, 그 장비의 구조가 웨이퍼 맵의 무늬를 만들 수 있는가, 불량이 시작된 날짜가 그 장비의 정비·부품 교체 이력과 맞는가.

시간 축과 순서 축장비 이름만이 아니라 처리 시각으로도 나눈다. 어느 날부터 불량이 시작됐다면 그 직전의 정비, 약액 교체, 부품 교체가 후보다. 한 로트 안에서 홀수 번 웨이퍼만 나쁘면 두 챔버를 번갈아 쓰는 장비, 처음 몇 장만 나쁘면 챔버가 덜 데워진 첫 웨이퍼 효과를 의심한다. 본페로니는 검정들이 독립이라고 보는 보수적인 보정이어서, 장비가 아주 많을 때는 거짓 발견 비율(FDR)을 조절하는 방법을 쓰기도 한다.

공간 서명과 장비 구조

3장에서 웨이퍼 맵의 무늬를 읽었다. 무늬는 장비의 지문이다. 웨이퍼를 한 장씩 돌리며 처리하는 매엽식(Single-wafer) 장비는 회전 대칭 무늬를 남긴다. 웨이퍼가 도는 동안 같은 반지름의 점은 모두 같은 처리를 받기 때문이다. 노즐 하나가 가장자리 한 곳에서만 약해져도 결과는 점이 아니라 고리다.

고리 무늬가 만들어지는 구조. 매엽식 세정은 회전하는 웨이퍼에 약액을 뿌린다. 가장자리를 맡은 노즐의 유량이 줄면 바깥 반지름에서 약액 공급과 교체가 부족해지고, 잔류물이 남는 영역은 원주를 따라 고리가 된다. 노즐 배치와 개수는 장비마다 다르다.

웨이퍼 맵 무늬	먼저 의심할 하드웨어
가장자리 고리	매엽식 세정·도포의 가장자리 처리, 식각·증착의 가장자리 균일도, 베벨 박리, CMP 가장자리 압력
중심 점·중심 원	중심 노즐, 샤워헤드 중앙, 회전 도포의 중심
도넛(중간 반지름 고리)	다구역 히터·가스 구역의 경계, CMP 압력 구역
직선·호 모양 긁힘	웨이퍼 이송 로봇, CMP 패드 위 이물
필드마다 같은 자리	마스크 결함, 노광기 필드 안 문제
한쪽 치우침, 노치 기준 방향 고정	회전하지 않는 공정: 배치식 습식조의 담금 방향, 가스 흐름 방향, 이온 주입 각도

무늬는 용의자를 좁히지만 확정하지는 못한다. 가장자리 고리를 만드는 장비는 여럿이다. 무늬(어떤 종류의 장비인가), 지층 순서(어느 단계인가), 공통성(어느 챔버인가)의 세 증거가 한 점에서 만날 때 비로소 범인이라고 부를 수 있다.

생각을 구조화하는 도구

증거가 모이면 사람은 가장 먼저 떠오른 설명에 매달린다. 구조화 도구는 그것을 막는 장치다. 새로운 사실을 만들어 주지는 않지만, 빠뜨린 가지와 근거 없는 건너뛰기를 드러낸다.

5 Why

“왜?”를 답이 조치 가능한 수준에 닿을 때까지 되묻는다. 다섯 번은 관습이고 횟수가 중요한 것은 아니다. 규칙은 두 가지다. 각 답은 증거로 뒷받침되어야 하고, 사슬을 거꾸로 읽었을 때(“~이므로 ~했다”) 말이 되어야 한다. 사람의 실수에서 멈추면 안 된다. “작업자가 확인하지 않았다”의 다음 질문은 “왜 확인하지 않아도 장비가 돌아갔는가”다.

SIMULATOR

5 Why: FB-28의 증거 사슬 따라가기

진행—

기각한 오답 갈래—

지금 도달한 수준—

해볼 것: ① 각 질문에서 일부러 그럴듯한 오답을 골라 본다. 어느 장의 어떤 증거와 모순되는지가 나온다. ② 두 번째 질문까지만 답하고 멈췄다고 생각해 보자. 그 시점의 “원인”으로는 어떤 조치를 할 수 있는가. ③ 마지막 질문은 발생과 유출을 함께 묻는다. 조치 세 가지가 각각 어느 쪽을 막는지 구분해 보자.

특성 요인도와 is/is-not

5 Why는 한 줄기만 판다. 후보를 넓게 펼칠 때는 특성 요인도(Fishbone, Ishikawa diagram)를 쓴다. 가지는 보통 4M(사람·설비·재료·방법)에 측정과 환경을 더한 여섯이다. 떠오르는 대로 다 적은 뒤 증거로 하나씩 지운다.

FB-28의 특성 요인도. 붉은 글씨가 증거로 확인된 원인이다. 설비 가지의 것은 발생 원인, 측정 가지의 둘은 발생을 알리지 못한 원인과 유출 원인이다. 회색 가지는 지워진 후보이거나 기여 원인으로 남은 것이다. 약액 문제였다면 챔버를 가리지 않았을 것이므로 재료 가지는 공통성 결과로 지워진다.

is/is-not 분석은 문제가 나타난 곳과, 나타날 법한데 나타나지 않은 곳을 나란히 적는다. 좋은 가설은 양쪽을 모두 설명해야 한다.

	이다 (is)	아니다 (is not)	가설이 설명해야 할 차이
무엇	V2의 저항 증가	V1, V3 이상은 정상	V2 형성 단계에만 있는 조건
어디	반지름 약 130 mm 바깥	웨이퍼 중심부	가장자리만 다르게 처리하는 하드웨어
어느 웨이퍼	세정 2번 챔버를 지난 웨이퍼	다른 챔버를 지난 같은 로트 웨이퍼	약액·레시피처럼 챔버 공통인 요인은 제외
얼마나	저항성(약 4.2 kΩ), 저전압에서만 불량	완전 단선	얇은 잔류물과 부분 접촉

고장 나무 분석(FTA, Fault tree analysis)은 꼭대기 사건에서 아래로 내려가며 원인을 AND·OR 게이트로 잇는다. “불량 다이 출하”는 “결함 발생” AND “검사 미검출”이다. 발생과 유출을 둘 다 막아야 하는 이유가 나무에 그대로 드러난다.

8D 보고서

고객이나 사내에 내는 문제 해결 보고의 표준 틀이 8D(8 Disciplines)다. 순서가 중요하다. 원인을 찾기 전에 먼저 피해를 가둔다.

단계	내용	FB-28에서
D1	팀 구성	불량 분석, 수율, 식각·세정 공정, 장비, 품질
D2	문제 기술	수율 약 6%p 하락, 가장자리 고리, 저전압 스캔 불량
D3	봉쇄 조치(Containment)	의심 챔버 사용 중지, 그 챔버를 지난 재공 웨이퍼 보류
D4	근본 원인(발생·유출) 규명	가장자리 노즐 유량 저하, 유량 감시와 세정 후 검사 부재
D5	시정 조치 선정과 사전 검증	노즐 교체, 유량 인터록, 가장자리 결함 검사
D6	시정 조치 실행과 효과 확인	검증 로트에서 가장자리 고리 소멸 확인
D7	재발 방지(Preventive action)	같은 장비군 수평 전개, FMEA·관리 계획 갱신
D8	종결과 공유	사례 등록, 팀 해산

세 가지 조치를 섞지 않는다. 봉쇄 조치는 원인을 몰라도 당장 피해를 막는 것이고, 시정 조치(Corrective action)는 이 문제의 원인을 없애는 것이며, 예방 조치는 아직 문제가 나지 않은 다른 장비·제품에서 같은 일이 생기지 않게 하는 것이다.

재현과 검증: 정말 그것이 원인인가

가설은 실험으로 확인한다. 방향은 둘이다. 첫째는 재현이다. 한 로트를 나누어 일부 웨이퍼만 의도적으로 나쁜 조건(가장자리 유량을 낮춘 세정)으로 처리하고 나머지는 정상 조건으로 처리한다. 나쁜 조건의 웨이퍼에서만 같은 무늬, 같은 단면이 나오면 원인을 켜고 끌 수 있다는 뜻이다. 둘째는 조치 후 검증이다. 고친 장비로 검증 로트를 흘려 불량이 사라졌는지 본다.

웨이퍼 테스트까지 기다리면 몇 주가 걸리므로 더 빠른 지표를 함께 쓴다. 세정 직후의 인라인 결함 수, M3 완성 직후 스크라이브 라인의 전기적 모니터 구조(수천 개 비아를 직렬로 이은 비아 체인의 저항), 그리고 최종 수율이다. 체인 저항은 며칠 안에 나오고 가장자리와 중심을 직접 비교할 수 있다.

문제는 표본이다. 불량률이 $p_1$에서 $p_2$로 줄었는지를 각각 $n_1, n_2$개 표본으로 비교하는 검정은 다음과 같다.

$$z=\frac{\hat p_1-\hat p_2}{\sqrt{\bar p(1-\bar p)\left(\frac{1}{n_1}+\frac{1}{n_2}\right)}}, \qquad n \approx \frac{(z_\alpha+z_\beta)^2\,[\,p_1(1-p_1)+p_2(1-p_2)\,]}{(p_1-p_2)^2}$$

$\bar p$는 두 군을 합친 불량률. 오른쪽은 군마다 필요한 표본 수의 근사. 한쪽 꼬리 $\alpha=0.05$($z_\alpha=1.645$), 검정력 90%($z_\beta=1.282$)로 22% → 5%의 개선을 확인하려면 군마다 약 65개면 된다. 같은 조건으로 22% → 17%를 확인하려면 약 800개가 필요하다. 작은 개선일수록 확인이 비싸다.

검정력(Power)은 실제로 개선됐을 때 “개선됐다”고 판정할 확률이다. 검정력이 낮은 실험에서 “차이 없음”이 나왔다고 조치가 효과 없다고 결론 내릴 수는 없다. 반대 방향의 실수도 있다. 한 웨이퍼의 가장자리 다이 60개는 독립된 표본 60개가 아니다. 같은 웨이퍼의 다이는 함께 좋거나 함께 나쁘다. 다이를 모두 합쳐 세면 표본 수가 부풀려져 우연한 차이가 유의해 보인다.

SIMULATOR

시정 조치 효과 검증: 개선됐다고 말할 수 있는가

조치 전 가장자리 불량률 조치 후 실제 불량률 검증 웨이퍼 수 웨이퍼 간 변동 σ

표본 평균 (전 → 후)—

z / p값—

개선으로 판정할 확률—

이번 표본의 판정—

해볼 것: ① 처음 상태(22% → 5%, 12장)는 누가 봐도 개선이다. 조치 후 불량률을 18%로 올리면 같은 12장으로는 “새 표본”을 누를 때마다 판정이 바뀐다. 검정력이 낮다. 웨이퍼 수를 늘려 80%를 넘겨 보자. ② 조치 후 불량률을 조치 전과 같게(22%) 맞추고 “다이 합산”으로 바꾼다. 실제 개선이 없는데도 개선으로 판정할 확률이 5%를 크게 넘는다. 웨이퍼 간 변동을 0으로 줄이면 다시 5%로 돌아온다. ③ 점선은 조치 전 자료로 정한 p 관리도의 관리 한계다. (조치 전 25장, 웨이퍼마다 가장자리 다이 60개, 한쪽 꼬리 α = 0.05, 정규 근사)

검증이 끝났다고 말할 조건조치 전후 비교가 통계적으로 유의하고, 재현 실험에서 원인을 켜고 끌 수 있으며, 조치 후 웨이퍼의 단면에서 물리적 결함이 실제로 사라졌을 때다. 수율만 회복되고 단면을 보지 않으면, 우연히 같은 시기에 다른 변화가 있었을 가능성을 지우지 못한다.

재발 방지와 흔한 실패

노즐을 새것으로 바꾸면 불량은 사라진다. 그러나 다음 노즐도 언젠가 같은 방식으로 나빠진다. 재발 방지는 같은 원인이 다시 생겨도 불량으로 이어지지 않게, 이어져도 곧바로 보이게 만드는 일이다.

인터록(Interlock): 유량·압력 센서 값이 범위를 벗어나면 장비가 웨이퍼 처리를 시작하지 않거나 멈춘다. 사람의 주의에 기대지 않는다.
SPC 관리 항목 추가: 노즐별 유량을 관리도에 올려 한계를 넘기 전의 표류를 본다(ProcessBook 계측).
인라인 검사 추가: 세정 직후 가장자리 영역의 결함 검사. 유출 원인을 막는다.
수평 전개: 같은 장비군의 다른 챔버, 같은 방식의 세정을 쓰는 다른 단계(V1, V3 …)에 같은 조치를 편다.
FMEA 갱신: 이번 사건을 고장 모드 목록에 넣고 점수를 다시 매긴다.

FMEA(Failure mode and effects analysis)는 고장 모드마다 심각도(S), 발생도(O), 검출도(D)를 1~10으로 매긴다. 검출도는 못 잡을수록 점수가 높다. 전통적으로 셋을 곱한 위험 우선순위 수를 쓴다.

$$\mathrm{RPN}=S\times O\times D \qquad (1 \le \mathrm{RPN} \le 1000)$$

조치의 종류에 따라 바뀌는 항이 다르다. 예방 장치(인터록)는 O를, 검사는 D를 낮춘다. S는 고장의 결과이므로 설계를 바꾸지 않는 한 그대로다. RPN은 곱이어서 S = 10, O = 2, D = 2(40)가 S = 4, O = 5, D = 5(100)보다 낮게 나오는 문제가 있다. 그래서 최근 기준(AIAG–VDA 핸드북)은 심각도를 먼저 보는 조치 우선순위 표로 바꾸었다.

SIMULATOR

FMEA: 조치가 바꾸는 것은 발생도인가 검출도인가

심각도 S 발생도 O (조치 전) 검출도 D (조치 전) 노즐 교체 유량 인터록 세정 후 가장자리 검사

RPN (전 → 후)—

감소—

남은 약점—

해볼 것: ① 노즐 교체만 켠 상태를 본다. 지금의 불량은 사라지지만 점수는 거의 그대로다. 고장 모드가 일어날 수 있는 구조가 바뀌지 않았기 때문이다. ② 인터록만 켜면 발생도가, 검사만 켜면 검출도가 내려간다. 둘 다 켜야 RPN이 기준선(예시 100) 아래로 간다. ③ 어떤 조치도 심각도는 바꾸지 못한다. (점수 변화는 설명용 가정: 교체 O−1, 인터록 O ≤ 2, 검사 D ≤ 3)

근본 원인 분석이 실패하는 네 가지 길

증상 치료로 끝내기. 부품을 바꾸고 수율이 돌아오면 보고서를 닫는다. 발생 근본 원인과 유출 원인이 그대로 남는다.

첫 번째 그럴듯한 설명에서 멈추기. 확증 편향이다. 가설에 맞는 증거만 모으게 된다. is/is-not의 “아니다” 칸을 채워 가설이 설명하지 못하는 것을 찾는다.

분석 인공물을 원인으로 오인하기. 디프로세싱의 과식각, FIB 재증착, 전자빔이 만든 탄소 오염은 결함처럼 보인다(9장, 11장). 이웃한 정상 구조를 같은 방법으로 보아 비교한다.

시료 하나로 일반화하기. 불량 다이 하나의 단면은 그 다이의 원인이다. 수율 하락 전체의 원인이라고 말하려면 진단 통계(4장)와 여러 시료가 같은 것을 가리켜야 한다.

사건 종결: CASE FB-28

열세 장에 걸쳐 모은 증거를 한 표에 놓는다. 각 단계는 새 사실을 더했다기보다 남은 가설의 수를 줄였다.

장	얻은 증거	지워진 가설	남은 범위
03	가장자리 고리(반지름 약 130 mm 바깥), 0.85 V 아래·고주파 불량, IDDQ 정상	단락, 무작위 이물, 설계 오류	가장자리를 다르게 처리한 공정의 저항성·지연성 결함
04	20개 중 17개 다이에서 V2를 여럿 거치는 긴 넷 지목, 천이 지연 모델과 일치	다이마다 다른 무작위 결함	M2–M3 구간의 체계적 결함
05	X선·SAM 정상	패키지 조립 불량	다이 내부
06 07 08	피해자 인버터의 발광, OBIRCH가 넷 중간의 V2 한 곳 지목, SDL 지점 일치, 상승 시간 약 180 ps 지연	트랜지스터 자체의 결함, 넷의 다른 구간	비아 한 개
09 10	M3 노출 후 PVC에서 그 비아 위 M3만 어둡다, 나노프로빙 약 4.2 kΩ(정상 약 3 Ω)	완전 단선, M3 배선 자체의 결함	그 비아의 저항성 접촉
11 12	비아 바닥 보이드, 한쪽에서 끊긴 Ta/TaN 배리어, 그 아래 약 15 nm 비정질 층	비아 미착지, 오버레이 어긋남	배리어 증착 전에 바닥에 있던 이물질 층
13	비정질 층에서 C·F·O, 구리 산화물 신호	CMP 슬러리, 금속 이물, 감광막 잔사만의 문제	불소탄소 식각 폴리머: 식각 후 세정 단계
14	불량 웨이퍼 전부가 식각 후 세정 2번 챔버 통과, 가장자리 노즐 유량 저하 확인	식각 레시피, 약액, 다른 챔버	범인 확정

CASE FB-28사건 파일 · 14장 · 종결

범인은 2번 챔버의 가장자리 노즐이었다

앞에서 결함이 비아 식각과 배리어 증착 사이에 생긴 불소탄소 잔류물임을 알았다. 그 구간에 있는 장비의 이력을 불량 웨이퍼와 정상 웨이퍼로 나누어 비교했다. 식각 챔버에는 치우침이 없었다. 식각 후 습식 세정 단계에서는 불량 웨이퍼가 예외 없이 2번 챔버를 지났다. 이 장비는 웨이퍼를 돌리며 약액을 뿌리는 매엽식이고, 3장에서 본 가장자리 고리는 회전 대칭 장비의 가장자리 처리 문제와 맞는다. 2번 챔버를 열어 확인하니 가장자리를 맡은 노즐의 유량이 떨어져 있었다. 통계, 무늬, 지층 순서의 세 증거가 한 곳에서 만났다.

시정 조치는 셋이다. 노즐을 교체했다(직접 원인). 유량이 기준 아래로 내려가면 장비가 서도록 인터록을 걸었다(발생 근본 원인). 세정 뒤 가장자리 결함 검사를 추가했다(유출 원인). 조치 후 흘린 검증 로트의 웨이퍼 맵에서 가장자리 고리가 사라졌다. 사건을 종결한다.

얻은 단서불량 웨이퍼 전부가 세정 2번 챔버 통과. 가장자리 노즐 유량 저하.

조치와 검증노즐 교체, 유량 인터록, 세정 후 가장자리 검사. 검증 로트에서 고리 소멸.

다음 단계15장에서는 FB-28이 아닌 새 사건을 독자가 직접 수사한다.

핵심 정리

물리적 원인은 무엇이 잘못됐는지, 근본 원인은 왜 잘못될 수 있었는지다. 근본 원인은 고칠 수 있는 수준까지 내려가야 하고, 발생 원인과 유출 원인을 따로 적는다.
결함이 어느 층의 위·아래에 있는지가 시간 순서다. 위치·형태·성분이 같은 공정 단계를 가리켜야 한다.
공통성 분석은 분할표와 피셔 정확 검정으로 불량 군에 치우친 장비를 찾는다. 검정 횟수가 많으면 우연히 유의한 장비가 나오므로 보정하고, 물리적 증거와 맞춰 본다.
웨이퍼 맵의 무늬는 장비 구조의 지문이다. 회전하는 매엽식 장비의 국소 문제는 고리로 나타난다.
5 Why·특성 요인도·is/is-not·8D는 증거를 만들지 않는다. 빠진 가지와 건너뛴 추론을 드러낸다. 봉쇄·시정·예방 조치는 서로 다른 것이다.
조치의 효과는 재현 실험과 충분한 표본의 검증 로트로 확인한다. 인터록은 발생도를, 검사는 검출도를 낮춘다. 부품 교체만으로는 재발을 막지 못한다.

확인 퀴즈

TEM에서 이물질 층이 비아 바닥의 배리어 아래, 아래층 구리 위에 있었다. 이 층이 생긴 시점으로 가능한 것은?

배리어가 그 층 위에 덮여 있으므로 배리어 증착보다 먼저 있었다. 비아가 뚫리기 전에는 그 자리가 절연막 속이었으므로 식각 이후다. 도금·CMP·캡 증착은 모두 배리어보다 뒤의 공정이다.

장비 200대에 대해 각각 유의수준 0.05로 공통성 검정을 했더니 9대가 유의하게 나왔다. 올바른 해석은?

200 × 0.05 = 10대는 우연만으로 기대되는 수다. 본페로니 기준은 0.05/200 = 0.00025다. 그 기준을 넘는 장비도 결함이 들어간 공정 구간에 있는지, 웨이퍼 맵 무늬를 만들 수 있는 구조인지 확인해야 한다.

“세정 후 가장자리 결함 검사 추가”가 FMEA에서 주로 낮추는 항목과, 그것이 막는 원인의 종류는?

검사는 결함이 생기는 것을 막지 못한다. 생긴 결함이 다음 단계로 흘러가기 전에 발견하게 한다. 발생도를 낮추는 것은 인터록 같은 예방 장치다.

조치 후 검증 웨이퍼 3장의 불량률이 조치 전과 통계적으로 차이가 없었다. 가장 적절한 결론은?

유의하지 않다는 것은 차이가 없다는 증명이 아니다. 3장으로는 큰 개선이 아니면 잡아내기 어렵다. 같은 웨이퍼의 다이는 서로 독립이 아니므로 다이를 합쳐 표본 수를 부풀리면 거짓 양성이 늘어난다.