Chapter 10

SEM · 전압 대비 · 나노프로빙

층을 걷어 내고 드러난 배선은 폭이 수십 nm다. 빛으로는 더 볼 수 없으니 돋보기를 전자로 바꾼다. 주사 전자 현미경(Scanning electron microscope, SEM)은 가는 전자빔으로 표면을 훑으며 튀어나오는 전자를 세어 영상을 만든다. 불량 분석에서 SEM은 사진기에 그치지 않는다. 빔이 시료에 전하를 싣기 때문에 도체가 어디에 이어져 있는지가 밝기로 드러나고(전압 대비), 진공 안에 넣은 바늘로 트랜지스터 한 개, 비아 한 개의 전기 특성을 직접 잴 수 있다(나노프로빙). 이 장은 전자가 시료 안에서 하는 일에서 출발해, 영상의 밝기를 전기적 단서로 읽는 법까지 간다.

SEM 경통의 구성과 가속 전압·빔 전류·작동 거리가 영상에 미치는 영향을 설명한다.
상호작용 부피와 신호별(SE, BSE, X선, 흡수 전류) 발생 깊이를 구분하고 침투 깊이를 어림한다.
이차 전자 수율 곡선으로 대전의 극성을 예측하고, 수동 전압 대비 영상에서 단선과 누설을 읽는다.
전압 대비가 볼 수 있는 저항과 볼 수 없는 저항의 경계를 빔 전류로 계산한다.
나노프로빙 곡선에서 문턱 전압 이동, 직렬 저항, 누설을 구분한다.

전자로 훑는 현미경

광학 현미경의 분해능은 파장의 절반쯤에서 막힌다(8장). 전자는 파장이 훨씬 짧다. 가속 전압 $V$로 가속한 전자의 파장은 $\lambda \approx 1.226/\sqrt{V}$ nm($V$는 볼트)여서 1 kV에서 약 0.039 nm, 10 kV에서 약 0.012 nm다. SEM의 분해능을 정하는 것은 파장이 아니라 렌즈 수차와 전자가 시료 안에서 퍼지는 범위다.

그림 10-1. SEM 경통. 전자총에서 나온 전자를 양극이 가속하고, 집속 렌즈와 대물 렌즈가 시료 위 한 점으로 모은다. 주사 코일이 그 점을 래스터로 움직이고, 각 위치에서 검출기에 들어온 전자 수가 그 화소의 밝기가 된다. 영상은 렌즈가 맺는 상이 아니라 점마다 잰 신호의 지도다.

전자총은 두 종류다. 텅스텐 필라멘트를 달궈 전자를 내보내는 열전자 방출(Thermionic emission)은 싸고 안정적이지만 광원이 크고 에너지 폭이 넓다(약 1.5~3 eV). 뾰족한 팁에 강한 전기장을 걸어 전자를 뽑는 전계 방출(Field emission, FE)은 밝기가 약 100~1000배 높고 에너지 폭이 약 0.3~0.8 eV로 좁다. 불량 분석용 SEM은 거의 모두 전계 방출형이다. 낮은 가속 전압에서도 가는 빔을 유지해야 하기 때문이다.

$$d \approx \sqrt{d_{\mathrm g}^{2} + \left(\tfrac12 C_s\alpha^{3}\right)^{2} + \left(C_c\,\alpha\,\frac{\Delta E}{E}\right)^{2} + \left(\frac{0.61\,\lambda}{\alpha}\right)^{2}}$$

스폿 지름 $d$는 광원의 축소상 $d_{\mathrm g}$, 구면 수차 $C_s$, 색수차 $C_c$, 회절 항의 합이다. $\alpha$는 수렴 반각. 색수차 항에 $\Delta E/E$가 들어 있어서 가속 전압을 낮추면 스폿이 커진다. 전계 방출형 SEM의 분해능은 15 kV에서 약 1 nm, 1 kV에서 약 1.5~2 nm 수준이다. 빔 전류를 키우면 $d_{\mathrm g}$가 커진다.

조건	올리면	내리면
가속 전압 (0.5~30 kV)	스폿이 가늘다. 깊이 침투해 묻힌 금속이 비친다. 절연막이 음으로 대전된다.	표면에 민감하다. 대전과 손상이 적다. 색수차로 분해능이 떨어진다.
빔 전류 (약 1 pA~수십 nA)	신호 대 잡음비가 좋다. 스폿이 커지고 대전·오염이 빠르다.	분해능이 좋다. 영상이 거칠어 오래 적분해야 한다.
작동 거리 (약 2~10 mm)	초점 심도가 깊다. 분해능이 떨어진다.	분해능이 좋다. 탐침·검출기와 부딪힐 여유가 줄어든다.
화소 체류 시간 · 프레임 평균	잡음이 $1/\sqrt{N}$로 준다. 한 곳에 쌓이는 전하와 조사량이 늘어난다.	대전 무늬가 덜 생긴다. 잡음이 크다.

전자와 시료의 상호작용

시료에 들어간 전자는 원자핵에 휘어지고(탄성 산란) 원자의 전자들에게 에너지를 나눠 주며(비탄성 산란) 멈출 때까지 수백 번 방향을 바꾼다. 그 궤적이 차지하는 물방울 모양의 영역이 상호작용 부피(Interaction volume)다. 빔 지름이 1 nm여도 신호는 이 부피 어딘가에서 나온다. 무엇을 검출하느냐에 따라 영상이 담는 깊이가 달라진다.

그림 10-2. 상호작용 부피와 신호가 나오는 깊이. 이차 전자는 부피 전체에서 생기지만 에너지가 낮아 표면 수 nm에서 생긴 것만 빠져나온다. 후방 산란 전자는 더 깊은 곳에서 되돌아 나오므로 묻힌 구조의 정보를 싣는다. X선은 흡수가 적어 부피 대부분에서 나온다.

침투 깊이는 가나야–오카야마(Kanaya–Okayama) 식으로 어림한다.

$$R \approx \frac{0.0276\,A\,E^{1.67}}{Z^{0.89}\,\rho}\ \ \mu\mathrm{m}$$

$A$는 원자량(g/mol), $Z$는 원자 번호, $\rho$는 밀도(g/cm³), $E$는 빔 에너지(keV). 실리콘에서 1 keV는 약 32 nm, 5 keV는 약 0.47 µm, 30 keV는 약 9 µm다. 구리는 5 keV에서 약 0.14 µm다. 에너지를 두 배 올리면 깊이는 약 3.2배 깊어진다.

이차 전자(Secondary electron, SE)는 시료의 전자가 얻어맞아 튀어나온 것으로, 관례상 50 eV 아래를 가리키고 대부분 2~5 eV다. 빔이 비스듬한 면이나 모서리에 닿으면 표면 가까이에서 생기는 이차 전자가 늘어 그곳이 밝게 보인다(가장자리 효과). SEM 영상이 입체처럼 보이는 이유다. 후방 산란 전자(Backscattered electron, BSE)는 입사 전자가 핵에 크게 휘어 되돌아 나온 것이다. 무거운 원자일수록 잘 되돌려 보내므로 후방 산란 계수 $\eta$는 실리콘 약 0.17, 구리 약 0.30, 텅스텐 약 0.45~0.50으로 커진다. 텅스텐 콘택과 구리 배선, 산화막이 다른 밝기로 갈린다.

신호	에너지	나오는 깊이	주는 정보	주지 못하는 것
이차 전자 (SE)	50 eV 미만, 대부분 2~5 eV	금속 약 1~5 nm, 절연체 약 10~50 nm	표면 형상, 가장자리, 표면 전위(전압 대비)	조성, 표면 아래 구조
후방 산란 전자 (BSE)	50 eV~빔 에너지	침투 깊이의 약 1/3	원자 번호 대비, 얕게 묻힌 금속	원소 이름, 가벼운 원소끼리의 구분
특성 X선	원소마다 고유 (13장)	상호작용 부피 대부분	원소의 종류와 양	벌크 시료에서 수십 nm 크기의 국소 조성
흡수 전류	빔 전류에서 방출분을 뺀 것	빔이 닿은 도체와 그에 이어진 넷	탐침에 이어진 넷의 범위, 끊긴 곳	결함의 물리적 모습
전자빔 유도 전류 (EBIC)	전자–정공쌍 하나에 약 3.6 eV (Si)	공핍층과 확산 거리 안	접합의 위치, 누설 지점	접합이 없는 배선 결함

아래 시뮬레이터는 전자 하나하나의 궤적을 실제로 계산한다. 다음 산란까지의 거리는 차폐 러더퍼드 단면적에서, 산란각은 그 각 분포에서 난수로 뽑고, 그 사이의 에너지 손실은 베테 식으로 뺀다. 전자가 표면 위로 나가면 후방 산란 전자로 센다.

SIMULATOR

상호작용 부피 몬테카를로

가속 전압 구리 배선(두께 150 nm)을 묻는다 묻힌 깊이

침투 깊이 R (식)—

전자 95%가 멈추는 깊이—

후방 산란 계수 η—

BSE 탈출 반경 (중앙값)—

묻힌 층을 거친 BSE—

해볼 것: ① Si에서 가속 전압을 1 kV에서 30 kV까지 올려 보자. 축척 막대가 수십 nm에서 수 µm로 바뀐다. 모양은 비슷하고 크기만 $E^{1.67}$로 자란다. ② W로 바꾸면 부피가 얕고 넓적해지며 η가 0.45 안팎으로 뛴다. 붉은 궤적이 후방 산란 전자다. ③ SiO₂ 안에 구리 배선을 200 nm 깊이에 묻고 전압을 올려 보자. 2 kV에서는 “묻힌 층을 거친 BSE”가 0%여서 아래 배선이 보이지 않고, 5~10 kV에서는 수십 %가 되어 층 아래 금속이 비쳐 보인다. ④ BSE 탈출 반경이 BSE 영상의 분해능 한계다. 빔 지름보다 훨씬 크다. (전자 1,500개 계산, 260개 표시. SiO₂는 평균 원자 근사)

대전: 방해꾼이자 단서

빔 전자 하나가 들어올 때 시료를 떠나는 전자의 수가 총 수율(Total yield) $\sigma = \delta + \eta$다($\delta$는 이차 전자 수율). 도체가 접지에 이어져 있으면 남거나 모자란 전하는 접지로 흐르고 끝난다. 절연막이나 어디에도 이어지지 않은 도체에서는 전하가 쌓인다.

$$\frac{dQ}{dt} = I_b\,(\sigma - 1), \qquad \frac{\delta}{\delta_m} \approx 1.11\left(\frac{E}{E_m}\right)^{-0.35}\left[1 - e^{-2.3\,(E/E_m)^{1.35}}\right]$$

$I_b$는 빔 전류. $\sigma > 1$이면 나가는 전자가 더 많아 표면이 양으로, $\sigma < 1$이면 음으로 대전된다. 오른쪽은 이차 전자 수율의 보편 곡선으로, $E_m$(수백 eV)에서 최댓값 $\delta_m$을 갖는다. $\sigma = 1$이 되는 두 에너지가 $E_1$(수십~100 eV)과 $E_2$다. 절연막의 $E_2$는 재질과 표면 상태에 따라 약 1~3 keV다.

$E_2$보다 높은 에너지로 절연막을 보면 음전하가 계속 쌓여 표면 전위가 수백 V까지 내려갈 수 있다. 빔이 휘어 영상이 흐르고 밝은 줄무늬가 생긴다. $E_1$과 $E_2$ 사이에서는 양으로 대전되지만 이쪽은 스스로 멈춘다. 표면이 몇 V만 올라가도 2~5 eV짜리 이차 전자가 되돌아와 붙기 때문이다. 그래서 층 제거한 시료(저유전막과 금속이 드러난 표면)는 대개 0.5~2 keV의 낮은 에너지로 본다. 금속 코팅은 대전을 없애지만 표면을 덮어 전기적 측정을 망치므로 불량 분석에서는 마지막 수단이다.

대전이 일정하게 멈춘다는 점이 쓸모다 양대전 조건에서 떠 있는 도체는 +수 V에서 멈추고 어두워진다. 접지된 도체는 0 V에 머물러 밝다. 영상의 밝기가 “이 도체는 기판까지 이어져 있는가”라는 전기적 질문의 답이 된다. 다음 절의 전압 대비다.

수동 전압 대비 (PVC)

전압 대비(Voltage contrast)는 표면 전위에 따라 이차 전자 신호가 달라지는 현상이다. 외부에서 전압을 걸지 않고 빔이 만든 대전만 쓰면 수동 전압 대비(Passive voltage contrast, PVC), 탐침이나 패키지 핀으로 전압을 걸면 능동 전압 대비다. PVC는 전원도 탐침도 필요 없어서, 층 제거가 끝난 시료를 SEM에 넣자마자 볼 수 있다.

그림 10-3. 양대전 조건의 수동 전압 대비. 총 수율이 1보다 크면 도체는 전자를 잃는다. 기판으로 가는 길이 있으면 전자가 보충되어 0 V에 머물고 이차 전자가 모두 빠져나간다. 길이 끊기면 양전하가 쌓여 이차 전자를 되끌어 당긴다. 음대전 조건($E > E_2$)에서는 명암이 뒤집힌다.

“기판까지 이어졌다”의 뜻은 접합의 방향에 달려 있다. 양대전 조건에서 n웰 속 p+ 확산 영역에 닿은 콘택은 접합이 순방향이 되어 전하가 웰로 빠지므로 밝다. p웰 속 n+ 확산 영역에 닿은 콘택은 접합이 역방향으로 막혀 누설 전류만큼만 빠지므로 회색이다. 게이트에만 이어진 콘택은 산화막에 막혀 가장 어둡다. 그래서 정상 칩의 콘택 층은 원래 밝은 점, 회색 점, 어두운 점이 섞인 무늬다. 결함은 기대와 다른 밝기로 찾는다.

기대 (설계·정상 다이)	관찰 (양대전)	해석
밝다 (접지 경로 있음)	어둡다	아래 어딘가가 끊겼다. 비아·콘택 단선, 배선 끊김
어둡다 (게이트에만 연결)	밝다	접지로 새는 길이 생겼다. 게이트 산화막 파괴, 이웃 배선과 단락
회색 (n+ 확산)	밝다	접합 누설, 콘택이 웰까지 뚫고 내려감
밝다	밝다	연결은 있다. 저항이 수 kΩ 높아진 것은 가려내지 못한다

마지막 줄이 PVC의 한계다. 도체의 전위는 빔이 싣는 전류와 접지로 빠지는 전류가 같아지는 곳에서 멈춘다.

$$\Delta V \approx I_b\,(\sigma-1)\,R \qquad\Rightarrow\qquad R_{\min} \sim \frac{0.5\ \mathrm{V}}{I_b\,(\sigma-1)}$$

이차 전자를 눈에 띄게 줄이려면 표면이 약 0.5 V 넘게 올라가야 한다. 빔 전류 50 pA, $\sigma \approx 1.5$이면 $R_{\min}$은 약 20 GΩ이다. 1 nA로 올려도 약 1 GΩ이다. PVC는 끊긴 것과 이어진 것을 가르는 도구이지 저항계가 아니다. 저항 값은 탐침으로 잰다.

같은 원리가 공정 라인에서도 쓰인다. 텅스텐 콘택 연마 직후 웨이퍼를 전자빔 검사 장비로 훑으면, 뚫리지 않은 콘택이 어두운 점으로 나타난다(ProcessBook 계측 장). 불량 분석의 PVC는 그 검사를 한 곳에 대해 손으로 하는 셈이다.

SIMULATOR

전압 대비 영상: 숨은 결함 찾기

착지 에너지 빔 전류 화소 체류 시간

결함 저항

설계 정보 겹치기 정답 보기

D: 구동단·전원에 연결 (접지 경로)N: n+ 확산에만 연결F: 게이트에만 연결 (원래 부유)작은 사각형: 아래 V2 위치

총 수율 σ—

화소당 전자 수—

결함 조각 전위—

결함 조각 밝기 (정상 대비)—

판정조각을 눌러 고른다

M3까지 층 제거한 시료를 위에서 본 화면이다. 세로 띠가 M3 조각이고, 각 조각은 아래의 V2 하나로 하부 배선에 이어진다. 해볼 것: ① “비아 단선”에서 불량 다이와 정상 다이를 번갈아 보며 다른 조각을 찾아 눌러 보자. 설계 정보를 겹치면 D인데 어두운 조각이 범인이다. ② 착지 에너지를 3 keV 근처($E_2$)로 올리면 대비가 사라지고, 더 올리면 명암이 뒤집히며 화면에 줄무늬가 낀다. ③ “고저항 비아”에서 결함 저항을 10 kΩ에서 올려 보자. 10 GΩ 아래에서는 정상과 구분되지 않는다. 빔 전류를 1 nA로 올리면 문턱이 한 자릿수 넘게 내려간다. ④ 체류 시간을 줄이면 잡음이 늘고, 빔이 조각 위에 머무는 시간이 RC보다 짧아져 저항성 결함의 대비도 약해진다. ⑤ “누설”은 F여야 할 조각이 밝아진다. 저항이 클수록 정상(어두움)에 가까워진다. (시야 약 2.5 µm. 결함 조각의 전위와 밝기는 학습용으로 늘 표시한다.)

빔을 전류원으로 쓰기: EBAC · EBIC · EBIRCH

PVC는 기판을 접지로 삼는다. 기판과 무관하게 “이 넷이 어디까지 이어져 있는가”를 보려면 넷에 탐침을 하나 올리고, 검출기 대신 탐침에 흐르는 전류로 영상을 만든다. 이것이 전자빔 흡수 전류(Electron beam absorbed current, EBAC)다. 빔이 그 넷에 속한 금속 위에 있을 때만 전류가 탐침으로 흘러 넷 전체가 밝게 그려진다. 넷이 중간에서 끊겼으면 영상도 그 자리에서 끊긴다. 가속 전압을 올리면 절연막 한두 층 아래의 배선까지 빔이 닿으므로, 층을 다 걷어 내지 않고도 아래층 넷을 따라갈 수 있다.

기법	탐침·바이어스	영상이 되는 신호	찾는 것	못 찾는 것
EBAC	탐침 1개, 바이어스 없음	빔이 넷에 실은 전류	완전 단선의 위치	저항이 조금 높은 곳
RCI (저항 대비)	넷 양끝에 탐침 2개	두 탐침으로 나뉘는 전류의 비	넷을 따라가는 기울기 속의 계단, 곧 고저항 지점	넷 길이 대비 작은 저항
EBIC	접합 양쪽에 탐침	공핍층이 갈라놓은 전자–정공쌍	접합의 위치와 모양, 누설 지점	배선 결함
EBIRCH	탐침 2개로 전압 인가	빔이 데울 때의 전류 변화	단락·저항성 경로의 위치	전류가 흐르지 않는 단선

탐침 두 개를 넷 양끝에 올리는 저항 대비 영상(Resistive contrast imaging, RCI)에서는 빔 위치에서 각 탐침까지의 저항 비율대로 전류가 나뉜다. 균일한 배선에서는 밝기가 완만하게 변하고, 고저항 지점에서 계단이 생긴다. EBIRCH는 7장의 OBIRCH에서 레이저를 전자빔으로 바꾼 것이다. 빛보다 스폿이 훨씬 작으므로 수십 nm 수준으로 위치를 좁힌다. 대신 탐침을 올릴 금속이 드러나 있어야 하므로 층 제거 뒤에만 쓸 수 있다.

나노프로빙: 소자 하나를 잰다

나노프로빙(Nanoprobing)은 끝 반지름 약 10~50 nm의 텅스텐 탐침 4~8개를 SEM 안에서 움직여 콘택이나 금속 조각 위에 올리고, 반도체 파라미터 분석기로 전류–전압 곡선을 재는 기법이다. 원자간력 현미경(AFM)의 탐침으로 같은 일을 하는 장비도 있다. 이쪽은 전자빔을 쓰지 않으므로 빔 손상이 없다. 테스트 장비가 칩 전체를 보고 “이 셀이 틀렸다”고 말한다면, 나노프로빙은 그 셀의 트랜지스터 여섯 개 가운데 어느 것이 어떻게 틀렸는지를 말해 준다.

트랜지스터를 재려면 콘택 층까지 내려가 소스·드레인·게이트·기판에 탐침을 하나씩 올린다. 측정은 두 가지다. 드레인 전압을 고정하고 게이트를 훑는 $I_D$–$V_G$ 곡선과, 게이트 전압을 고정하고 드레인을 훑는 $I_D$–$V_D$ 곡선이다. 옆에 있는 같은 종류의 정상 소자를 함께 재서 겹쳐 본다.

$$I_D = 2n\beta\phi_t^{2}\left[\ln^{2}\!\left(1+e^{\frac{V_P-V_S}{2\phi_t}}\right)-\ln^{2}\!\left(1+e^{\frac{V_P-V_D}{2\phi_t}}\right)\right],\quad V_P=\frac{V_G-V_T}{n},\quad SS = n\,\phi_t\ln 10$$

약반전의 지수 함수와 강반전의 제곱 법칙을 한 식으로 잇는 모형이다. $\phi_t = kT/q \approx 26$ mV, $n$은 기울기 인자, $\beta = \mu C_{ox} W/L$. 문턱 아래 기울기 $SS$는 전류를 10배 바꾸는 데 필요한 게이트 전압으로, 상온에서 60 mV/dec가 하한이다. 소스에 직렬 저항 $R_S$가 있으면 실제 소스 전위가 $I_D R_S$만큼 올라간다. 전류가 클 때만 영향이 나타난다.

곡선의 변화	가리키는 것	흔한 물리적 원인
곡선 전체가 옆으로 평행 이동, SS는 그대로	문턱 전압 이동	채널 도핑 이상, 게이트 산화막 속 전하, 일함수 금속 두께
문턱 아래는 같고 큰 전류에서만 처짐	직렬 저항 증가	고저항 콘택·비아, 실리사이드 결손
게이트 전류가 드레인 전류에 섞임	게이트 누설	게이트 산화막 파괴, 게이트–콘택 단락
$V_G$와 무관한 바닥 전류, 기판 전류와 같음	접합 누설	결정 결함, 실리사이드 침투, 콘택 과식각
SS가 커짐	게이트 제어력 저하	계면 준위, 짧아진 채널

SIMULATOR

나노프로빙: 정상 소자와 겹쳐 보기

결함 정도

문턱 전압 Vt—

구동 전류 Ion—

누설 전류 Ioff—

문턱 아래 기울기 SS—

점선이 이웃한 정상 소자, 실선이 측정 소자다. 해볼 것: ① “Vt 이동”은 로그 곡선이 옆으로 밀릴 뿐 기울기는 같다. Ion과 Ioff가 함께 준다. ② “직렬 저항”은 Vt와 SS가 그대로인데 Ion만 크게 준다. $I_D$–$V_D$ 곡선의 처음 기울기가 눕는다. 테스트에서 느린 경로로 보이는 결함의 전형이다. ③ “게이트 누설”에서는 주황 점선(게이트 전류)이 드레인 전류의 바닥을 만든다. 전류 방향이 바뀌는 곳에서 곡선이 패인다. ④ “접합 누설”의 바닥은 게이트 전압과 무관하고 기판 전류와 같다. 네 번째 탐침을 기판에 올리는 이유다. ⑤ “비아 저항”으로 바꿔 2탐침과 4탐침을 비교하자. 2탐침은 탐침 접촉 저항(수십 Ω)이 더해져 정상 비아 3 Ω을 잴 수 없다. 의심 비아는 전류가 작을수록 저항이 커지는 휜 곡선이다. (Vt는 100 nA 기준 정전류법, Ion·Ioff는 1.0 V)

재는 행위가 소자를 바꾼다 전자빔은 게이트 산화막과 주변 절연막에 전하를 가둔다. 가속 전압이 높으면 빔이 콘택 층을 지나 게이트까지 닿아 문턱 전압이 수십 mV 넘게 움직이고 누설이 늘어난다. 그러면 정상 소자와의 비교가 의미를 잃는다. 나노프로빙은 약 0.5~1 keV 이하, 작은 빔 전류로 하고, 탐침을 올린 뒤에는 빔을 끄고 잰다. 탐침은 콘택 표면을 눌러 흠을 남기며, 여러 번 누른 텅스텐 콘택은 뒤이은 단면 분석에서 원래 모습이 아니다.

SEM이 말해 주지 않는 것

SEM은 불량 분석에서 가장 자주 쓰는 장비지만 답의 일부만 준다.

표면만 본다. 이차 전자는 수 nm 깊이에서 나온다. 전압 대비로 “이 조각 아래가 끊겼다”까지는 알아도, 끊긴 곳이 비아 바닥인지 옆벽인지는 보이지 않는다. 그 자리를 잘라 단면을 내야 한다(11장).
계면의 원자 수준 구조는 못 본다. 분해능이 약 1 nm여도 벌크 시료에서는 상호작용 부피가 신호를 흐린다. 두께 수 nm의 배리어가 이어졌는지, 계면에 비정질 층이 끼었는지는 얇게 깎은 시료를 투과 전자로 봐야 한다(12장).
무엇으로 이루어졌는지는 밝기만으로 모른다. 후방 산란 전자의 밝기는 평균 원자 번호를 반영할 뿐이다. 원소 이름은 X선 스펙트럼이 말한다(13장).
시료에 흔적을 남긴다. 빔은 잔류 탄화수소를 분해해 탄소 막을 쌓고(오염), 저유전막을 수축시키며, 절연막에 전하를 가둔다. 오염 막은 전압 대비를 흐리고 다음 단계의 성분 분석에 탄소 신호를 더한다. 전하는 가열로 일부 풀리지만 오염과 수축은 되돌릴 수 없다. 중요한 곳은 낮은 조사량으로 먼저 기록한다.

CASE FB-28사건 파일 · 10장

어두운 조각 하나와 4.2 kΩ

앞에서 OBIRCH와 SDL이 후보 넷 중간의 V2 한 곳을 가리켰고, 전면에서 M3까지 층을 걷어 냈다. 그 상태로 SEM에 넣어 약 1 keV의 양대전 조건에서 전압 대비 영상을 찍었다. 이 넷의 M3 조각들은 구동단에 이어져 있으므로 모두 밝아야 한다. 의심 V2 바로 위의 M3 조각 하나만 주변보다 어둡다. 이웃 정상 다이의 같은 자리는 밝다.

탐침을 그 조각과, 같은 M2 선에 이어진 이웃 M3 조각에 올려 비아 경로의 저항을 쟀다. 정상 다이의 같은 경로는 약 3 Ω, 이 경로는 약 4.2 kΩ이다(동작 전압에 가까운 0.8 V에서). 곡선은 직선이 아니고, 전류가 작을수록 저항이 크게 읽힌다. 두 측정은 서로를 설명한다. 4.2 kΩ짜리 옴성 저항이라면 pA 수준의 빔 전류로는 어두워질 수 없다. 어둡게 보였다는 것은 이 접촉이 작은 전류에서 GΩ급으로 행동한다는 뜻이고, 금속과 금속이 온전히 맞닿은 접촉은 그렇게 행동하지 않는다.

얻은 단서결함은 이 V2 하나다. 완전 단선이 아니고, 전류에 따라 저항이 달라지는 접촉이다. 0.8 V에서 정상의 약 1,400배.

아직 모르는 것비아의 어디가, 왜 그런가. M3 표면에서는 아무 이상도 보이지 않는다.

다음 단계이 비아를 FIB로 잘라 단면을 본다. 자르면 다시 잴 수 없으므로 전기 측정을 먼저 끝냈다.

핵심 정리

SEM 영상은 빔 위치마다 잰 신호의 지도다. 분해능은 스폿 크기와 상호작용 부피가 정하고, 침투 깊이는 $E^{1.67}$에 비례해 실리콘에서 1 keV 약 30 nm, 30 keV 약 9 µm다.
이차 전자는 표면 수 nm의 형상과 전위를, 후방 산란 전자는 더 깊은 곳의 원자 번호 대비를, X선은 원소를, 흡수 전류는 넷의 연결을 알려 준다.
총 수율이 1보다 크면 양으로, 작으면 음으로 대전된다. 절연막이 드러난 시료는 $E_2$(약 1~3 keV)보다 낮은 에너지로 본다.
수동 전압 대비는 양대전 조건에서 접지 경로가 있는 도체를 밝게, 떠 있는 도체를 어둡게 보여 준다. 기대와 다른 밝기가 단선과 누설의 위치다.
전압 대비가 가려내는 저항은 $0.5\ \mathrm{V}/I_b$ 수준, 곧 GΩ 이상이다. kΩ급 저항성 결함의 값은 나노프로빙으로 잰다.
나노프로빙은 소자 하나의 곡선을 정상 소자와 겹쳐 문턱 전압 이동, 직렬 저항, 누설을 구분한다. 빔과 탐침이 시료를 바꾸므로 낮은 에너지로, 단면을 내기 전에 끝낸다.

확인 퀴즈

1 keV 양대전 조건의 전압 대비 영상에서, 구동단에 이어져 밝아야 할 금속 조각 하나가 어둡다. 가장 그럴듯한 해석은?

양대전 조건에서 어둡다는 것은 전자가 보충되지 않아 양으로 대전됐다는 뜻이다. 단락이나 산화막 파괴는 접지 경로를 새로 만들므로 오히려 밝아진다.

실리콘에서 가속 전압을 1 kV에서 10 kV로 올리면 침투 깊이는 대략 몇 배가 되는가?

$R \propto E^{1.67}$이므로 $10^{1.67} \approx 47$. 약 32 nm가 약 1.5 µm로 늘어난다. 표면의 얇은 구조를 볼 때 낮은 전압을 쓰는 이유다.

빔 전류 100 pA, 총 수율 1.5로 전압 대비 영상을 찍는다. 정상과 뚜렷이 구분되는 접지 경로 저항은?

순 전류는 100 pA × 0.5 = 50 pA. 0.5 V를 만들려면 약 10 GΩ이 필요하다. 5 MΩ은 0.25 mV밖에 만들지 못한다. 그런 저항은 탐침으로 잰다.

나노프로빙에서 문턱 전압과 문턱 아래 기울기는 정상 소자와 같은데 구동 전류만 40% 낮다. 먼저 의심할 것은?

직렬 저항의 전압 강하는 전류에 비례하므로 전류가 작은 문턱 아래 영역은 그대로이고 큰 전류에서만 처진다. 도핑 이상이면 문턱 전압이, 누설이면 바닥 전류가 달라진다.