Chapter 12

TEM · STEM

SEM은 표면에서 튀어나온 전자로 형상을 보고, TEM은 시료를 뚫고 지나온 전자로 내부를 본다. 두께 100 nm 안팎으로 깎은 박편에 200 kV 전자를 통과시키면 수 nm 두께의 배리어가 이어져 있는지, 계면에 무엇이 끼었는지, 결정 격자가 어디서 무너졌는지까지 읽힌다. 대가도 크다. 시료는 이미 잘렸고, 보는 부피는 칩 전체의 극히 일부이며, 영상은 두께 방향으로 모든 것을 겹쳐 놓은 투영이다.

전자의 파장과 렌즈 수차가 TEM 분해능을 어떻게 정하는지 계산한다.
질량-두께·회절·위상·Z 대비를 구분하고, 모드별로 무엇이 밝고 어두운지 예측한다.
전자 회절 무늬에서 $Rd = \lambda L$로 면 간격을 읽고 결정·다결정·비정질을 가린다.
라멜라 두께와 투영 겹침이 얇은 층을 숨기는 원리를 이해한다.
비아 바닥 HAADF 영상에서 배리어 끊김·계면층·보이드를 판독하고, 인공물과 구분한다.

왜 TEM인가: 파장과 수차

앞 장에서 FIB로 단면을 내면 비아 바닥의 틈은 보였지만, 그 둘레의 Ta/TaN 배리어(두께 수 nm)가 이어져 있는지, 계면에 얇은 막이 끼었는지는 읽을 수 없었다. SEM의 실제 분해능은 1 nm 안팎이지만, 이차 전자가 나오는 깊이와 빔이 퍼지는 부피, 절단면 손상층이 겹쳐 수 nm 구조의 경계를 흐린다. 불량 분석에서 TEM이 맡는 대상은 대개 이런 것들이다.

배리어·시드의 연속성, 비아·콘택 바닥의 계면층(잔류물, 자연 산화막).
게이트 스택: 계면 산화막(약 0.5~1 nm), high-k(약 1.5~2 nm), 금속 게이트 두께.
결정 결함: 전위, 적층 결함, 쌍정, 에피 성장 불량.
실리사이드 상과 침투, 금속 확산, 핀·나노시트 형상.

TEM이 이것을 볼 수 있는 첫 이유는 파장이다. 가속 전압 $V$로 가속된 전자의 드브로이 파장은 상대론 보정을 넣어 다음과 같다.

$$\lambda = \frac{h}{\sqrt{2m_0eV\left(1 + \dfrac{eV}{2m_0c^2}\right)}}$$

80 kV에서 약 4.18 pm, 120 kV 약 3.35 pm, 200 kV 약 2.51 pm, 300 kV 약 1.97 pm. 200 kV 전자의 속도는 빛의 약 0.70배라 보정 항($eV/2m_0c^2 \approx 0.2$)을 빼면 파장이 약 10% 틀린다.

파장이 원자 간격(약 0.2 nm)의 1/100인데도 실제 분해능은 오랫동안 0.2 nm 안팎에 머물렀다. 전자 렌즈는 자기장 렌즈라 오목 렌즈를 만들 수 없고, 축에서 먼 전자를 더 세게 꺾는 구면 수차(Spherical aberration, $C_s$)를 피할 수 없기 때문이다. 큰 각도로 산란된 전자(곧 미세한 정보)는 엉뚱한 위상으로 영상에 섞인다. 초점을 조금 흐려 수차를 일부 상쇄하는 최적 조건이 셰르처 초점이고, 그때의 점 분해능은 다음과 같다.

$$\Delta f_{\mathrm{Sch}} = -1.2\sqrt{C_s\lambda}, \qquad d_{\mathrm{Sch}} \approx 0.66\,C_s^{1/4}\lambda^{3/4}$$

$C_s$ = 1 mm, 200 kV이면 $\Delta f \approx -60$ nm, $d \approx 0.23$ nm. 수차 보정기(다극자 렌즈)로 $C_s$를 수 µm까지 줄이면 점 분해능은 0.1 nm 아래로 내려가고, 그때는 에너지 퍼짐과 불안정성이 정하는 정보 한계(Information limit)가 분해능을 정한다.

TEM과 STEM. TEM은 평행 빔으로 넓은 영역을 한꺼번에 비추고 대물렌즈가 영상을 맺는다. 후초점면에는 회절 무늬가 생기고, 그 자리의 조리개로 어떤 빔을 영상에 쓸지 고른다. STEM은 0.1 nm 안팎으로 모은 탐침을 주사하며, 각 점에서 산란각별로 검출기(BF 원판, ABF·ADF 고리, HAADF 고리)가 받은 전자 수를 화소 밝기로 삼는다. 각도는 대표값이며 카메라 길이로 바꿀 수 있다.

TEM 영상의 대비와 전자 회절

TEM 영상에서 어둡다는 것은 그 자리의 전자가 검출에 쓰인 각도 밖으로 빠져나갔다는 뜻이다. 빠져나가는 이유가 셋이고, 그것이 대비의 세 갈래다.

질량-두께 대비(Mass-thickness contrast): 원자 번호가 크고 밀도가 높고 두꺼울수록 큰 각으로 산란해 조리개에 막힌다. 명시야에서 구리·탄탈럼은 어둡고 low-k·보이드는 밝다. 근사적으로 $I = I_0\,e^{-t/\Lambda}$이며 $\Lambda$는 조리개 밖으로 산란하는 평균 자유 행로다.
회절 대비(Diffraction contrast): 결정이 브래그 조건에 놓이면 강하게 회절한다. 같은 구리라도 방향이 다른 결정립은 밝기가 다르고, 전위·적층 결함 주변의 휜 격자가 선으로 드러난다. 회절된 빔 하나만 조리개로 골라 쓰면 암시야(Dark field)다. 시료를 조금만 기울여도 대비가 뒤집히므로 결정립 크기·결함 관찰에는 강력하지만 두께 측정에는 쓰면 안 된다.
위상 대비(Phase contrast): 조리개를 크게 열어 여러 빔이 간섭하게 하면 격자 무늬가 보인다(HRTEM). 영상의 점은 원자 자체가 아니라 간섭 무늬이고, 초점과 두께에 따라 밝기가 뒤집힌다.

대물렌즈의 후초점면에 맺힌 회절 무늬를 그대로 찍으면 결정 구조를 직접 읽을 수 있다. 단결정은 점, 무작위 방향의 다결정은 고리, 비정질은 넓게 퍼진 헤일로를 만든다. 투과 빔에서 반사까지 거리 $R$와 면 간격 $d$의 관계는 작은 각 근사에서 간단하다.

$$R\,d = \lambda L$$

$L$은 카메라 길이, $\lambda L$은 카메라 상수다. 200 kV, $L$ = 800 mm이면 $\lambda L \approx 2.0$ mm·nm라 Si {111}(0.3136 nm)은 중심에서 약 6.4 mm에 나타난다. 영역 제한 조리개로 고르는 최소 영역은 수백 nm라, 수십 nm 구조는 나노빔 회절(Nano-beam diffraction)로 탐침을 수 nm까지 모아 찍는다. 이때 점 대신 원판이 생긴다.

SIMULATOR

전자 회절 무늬와 면 간격 판독

시료

가속 전압

카메라 길이 L 격자 상수 a 측정 고리 반지름 R

파장 λ—

카메라 상수 λL—

판독 d = λL/R—

가장 가까운 반사—

해볼 것: ① 단결정 Si [110] 정대축에서 측정 고리를 가장 가까운 점에 맞춰 0.3136 nm(111)을 읽어 보자. 200 자리(실제 지수 002)의 약한 점은 다이아몬드 구조에서 금지된 반사가 이중 회절로 나타난 것이다. ② 다결정 Cu로 바꾸면 무작위 방향의 결정립이 고리를 만든다. 고리가 점점이 끊기면 결정립이 크다는 뜻이다. ③ 비정질은 날카로운 반사가 없다. 넓은 헤일로의 반지름은 평균 원자 간 거리 정도만 알려 준다. 카메라 길이나 전압을 바꾸면 무늬 크기가 바뀌지만 판독한 d는 그대로다. 카메라 상수를 틀리게 알면 d도 같은 비율로 틀린다.

HRTEM 영상이 무엇을 보여 주는지는 렌즈가 각 공간 주파수를 어떤 위상으로 전달하는지, 곧 대비 전달 함수(Contrast transfer function, CTF)가 정한다. 얇은 시료(약한 위상 물체)에서 영상의 푸리에 성분은 시료의 퍼텐셜에 다음 함수를 곱한 것이다.

$$T(k) = \sin\chi(k)\,E_t(k), \qquad \chi(k) = \pi\lambda\Delta f\,k^2 + \tfrac{1}{2}\pi C_s\lambda^3k^4, \qquad E_t = \exp\!\left[-\tfrac{1}{2}(\pi\lambda\Delta)^2k^4\right]$$

$k$는 공간 주파수(1/면 간격), $\Delta f$는 초점 흐림(음수 = 덜 맞춤), $\Delta$는 색수차와 전원 불안정이 만드는 초점 퍼짐(약 2~5 nm). $T$가 0을 지나는 주파수는 영상에서 사라지고, 부호가 바뀐 대역은 밝기가 뒤집혀 들어온다.

SIMULATOR

HRTEM 격자 영상과 대비 전달 함수

가속 전압

구면 수차 C_s 초점 흐림 Δf 초점 퍼짐 Δ

셰르처 Δf—

점 분해능 / 정보 한계—

전달 T: 111 · 220 · 400—

해볼 것: ① 기본값(C_s 1 mm, Δf = 0)에서는 k가 약 2 /nm 아래인 성분이 거의 전달되지 않아 영상의 대비가 약하다. "셰르처 초점"(약 −60 nm)을 누르면 첫 통과 대역이 넓고 평평해져 약 0.25 nm보다 큰 구조, 곧 111 면(0.31 nm)까지가 같은 부호로 전달된다. 220(0.19 nm)과 400은 첫 영점 너머의 진동 대역이라, 초점을 몇 nm만 바꿔도 부호가 뒤집힌다. 그 대역의 무늬는 원자 위치로 해석하면 안 된다. ② Δf를 +30 nm(과초점)로 두면 낮은 대역의 부호가 뒤집혀 원자 기둥이 밝게 바뀐다. 같은 시료라도 초점에 따라 흑백이 바뀐다. ③ "수차 보정기"(C_s 약 5 µm)를 누르고 초점 퍼짐 Δ를 키우면, 수차가 없어도 정보 한계가 분해능을 막는다. 오른쪽 FFT의 동심원(톤 고리)은 비정질 영역이 CTF를 그대로 보여 주는 것이다. (Si [110] 단면, 오른쪽 약 40%는 비정질, 약한 위상 물체 근사, 공간 결맞음 감쇠는 생략)

STEM과 Z 대비

STEM은 SEM처럼 탐침을 주사하되, 시료를 통과한 전자를 아래에서 받는다. 탐침 지름이 곧 분해능이고, 수차 보정 STEM은 0.1 nm 이하의 탐침을 만든다. 한 점에서 나온 전자를 산란각별로 나눠 받을 수 있다는 것이 TEM과 다른 점이다.

HAADF(High-angle annular dark field): 약 60 mrad 이상으로 크게 산란한 전자를 받는다. 원자핵 근처의 러더퍼드 산란이 주이고 회절의 영향이 작아, 세기가 대략 $\rho\,t\,Z^{1.7}$(지수는 검출 각도에 따라 약 1.6~1.9)에 비례한다. 무거우면 밝고 비면 검다. 결정 방향이 바뀌어도 밝기가 거의 뒤집히지 않아 해석이 직관적이며, 불량 분석에서 계면을 볼 때 가장 먼저 쓰는 모드다.
BF·ABF: 축 근처 원판(BF)은 TEM 명시야와 비슷한 대비를 준다. 탐침 원뿔 바깥 가장자리만 받는 고리형 명시야(ABF)는 산소·질소처럼 가벼운 원자 기둥을 무거운 원자와 함께 보여 준다.
분석과 동시 수행: 탐침이 한 점에 머무는 동안 X선(EDS)과 에너지 손실 전자(EELS)를 함께 모으면 영상의 그 화소에 성분을 겹칠 수 있다. 이것이 13장으로 이어진다.

$$I_{\mathrm{BF}} \approx I_0\exp\!\Big(-\sum_i \frac{t_i}{\Lambda_i}\Big), \qquad I_{\mathrm{HAADF}} \propto \sum_i n_i\,t_i\,Z_i^{1.7}$$

$t_i$는 빔이 재질 $i$를 지나는 길이, $n_i$는 원자 밀도. 두 식 모두 두께 방향의 합이다. 영상은 단면이 아니라 투영이다. HAADF는 두께가 평균 자유 행로를 넘으면 선형성이 깨지고, 매우 두꺼우면 오히려 어두워진다.

모드	대비 기구	밝은 것 / 어두운 것	불량 분석에서의 용도
BF-TEM	질량-두께 + 회절	보이드·low-k 밝음, Cu·Ta·W 어두움	저배율 전체 구조, 두께·형상, 보이드 위치
DF-TEM	특정 회절 빔만 사용	그 반사를 내는 결정립만 밝음	결정립 크기, 상 분포, 전위·적층 결함(g·b 판정)
HRTEM	위상 대비(간섭)	초점·두께에 따라 뒤집힘	격자 무늬, 계면 비정질층, 에피 결함, 축척 교정
HAADF-STEM	Z 대비(비간섭 산란)	무거운 원소·두꺼운 곳 밝음, 보이드 검음	배리어 연속성, high-k·실리사이드, 금속 확산, EDS/EELS 지도
ABF-STEM	탐침 원뿔 가장자리 산란	가벼운 원자 기둥이 어둡게 보임	O·N 위치, 산화물·질화물 계면
회절 (SAED·NBD)	브래그 회절	점·고리·헤일로	상 판별, 결정 방향, 변형(나노빔), 비정질 여부

시료 두께와 투영 겹침

라멜라 두께는 영상 품질을 정하는 가장 큰 변수다. 200 kV 전자가 실리콘에서 비탄성 산란을 한 번 겪기까지 평균 약 100~150 nm를 간다(구리는 약 100 nm 이하). 두께가 이 거리를 넘으면 대부분의 전자가 여러 번 산란해 에너지와 방향이 흐트러지고, 영상은 흐려지며 EELS 스펙트럼은 해석이 어려워진다. 두께는 EELS의 무손실 피크 비율로 $t/\lambda = \ln(I_t/I_0)$로 잰다.

더 교묘한 문제는 투영이다. 28 nm급 비아는 지름이 약 45 nm인 원통이다. 두께 80 nm 라멜라 안에는 비아 전체와 앞뒤의 low-k가 함께 들어온다. 빔은 원통의 앞 벽 배리어, 구리, 뒤 벽 배리어를 차례로 지나므로, 영상의 비아 가운데에도 배리어 신호가 섞이고 측벽은 곡면을 비스듬히 지나며 번진다. 비아 바닥 한가운데의 얇은 층이 있어도 같은 높이의 앞뒤 캡·low-k와 겹쳐 대비가 깎인다.

투영 겹침. 위에서 내려다본 라멜라(빔은 위에서 아래로 두께 방향을 지난다). 청록은 low-k, 노랑은 배리어 고리, 주황은 구리. 두꺼우면 원통 전체가 들어와 빔이 배리어 곡면을 길게 비스듬히 지나는 가장자리에서 세기가 최대가 되고, 그 폭은 실제 배리어 두께보다 넓다. 얇으면 가운데 판만 남아 벽이 선명하다. 대신 FIB 손상층(11장, 2 keV 마무리에서도 한 면 약 2 nm)의 비율이 커지고, 결함이 박편 밖으로 깎여 나갈 위험이 커진다.

그래서 목표 두께는 보려는 것에 따라 다르다. 배선·비아 단면의 일반 관찰과 EDS는 약 50~100 nm, 격자 영상과 EELS 미세 구조는 약 30~50 nm 이하, 핀 하나만 담아야 하는 FinFET·GAA는 약 20~30 nm다. 결함이 라멜라 두께보다 작으면 결함이 두께의 어디에 있는지(앞쪽인지 가운데인지)도 투영 영상만으로는 알 수 없다.

판독 실전: 비아 바닥을 읽는다

11장의 라멜라를 TEM에 넣으면 먼저 저배율로 전체를 본다. 같은 증거물이라도 SEM과 TEM은 밝기 규칙이 반대에 가깝다. 이차 전자 영상에서 밝던 금속이 명시야 TEM에서는 어둡고, 검던 보이드는 밝다.

같은 증거물, 다른 밝기 규칙. 이 책의 표준 단면 모델(M2–M3 사이 V2에 보이드)을 FIB 단면 SEM과 저배율 명시야 TEM으로 그렸다. 주황 상자가 아래 시뮬레이터가 확대하는 비아 바닥 영역(160 nm × 130 nm)이다.

아래 시뮬레이터는 비아 바닥을 3차원 모델(아래 M2 구리, SiCN 캡, 원통형 Ta/TaN 배리어와 비아 구리, low-k)로 만들고, 라멜라 두께 방향으로 재질을 적분해 영상을 계산한다. 결함 세 가지를 켜고 끌 수 있다: 바닥 배리어의 한쪽 끊김, 비아 바닥의 약 15 nm 비정질 층, 위쪽 구리의 보이드.

SIMULATOR

비아 바닥의 BF-TEM / HAADF-STEM 영상

영상 모드

가속 전압

라멜라 두께 t 라멜라 중심 어긋남 선 프로파일 위치 x

결함 배리어 한쪽 끊김 비정질 층 약 15 nm 구리 보이드 구조 이름 표시

구리 투과율 e^−t/Λ—

배리어 끊김 대비—

비정질 층 대비—

보이드 대비—

해볼 것: ① HAADF 80 nm에서 바닥 배리어(가장 밝은 선)가 오른쪽에서 끊긴 것, 그 아래 어두운 띠(비정질 층), 위쪽 검은 보이드를 찾고, 선 프로파일로 층 두께를 읽어 보자. ② BF로 바꾸면 밝기가 뒤집힌다. 비정질 층과 보이드가 모두 밝아 둘을 구분하기 어렵다. HAADF에서는 보이드가 더 검다. ③ 두께를 200 nm로 키우면 영상이 잡음에 묻히고(BF는 투과 전자가 적고, 둘 다 앞뒤 구조가 겹친다) 대비 수치가 떨어진다. 중심 어긋남을 20 nm 이상 주면 라멜라가 비아 가장자리를 지나 보이드와 바닥 층이 얇게 잘려 보이거나 사라진다. (재질별 평균 자유 행로와 n·Z^1.7로 근사한 교육용 모델. 회절 대비와 다중 산란 흐림은 생략, 대비 = (A−B)/(A+B), CNR은 화소당 잡음 대비)

실제 판독에서 확인하는 항목은 정해져 있다.

배리어·시드 연속성. HAADF에서 Ta/TaN은 가장 밝은 선이다. 바닥과 측벽 아래쪽 모서리에서 끊김·얇아짐을 본다. 투영 때문에 측벽이 번져 보이면 두께 측정은 바닥 쪽(빔에 나란한 면)에서 한다.
계면층. 결정 사이에 격자 무늬가 끊긴 띠가 있으면 비정질 층이다. HRTEM 영상의 FFT에서 점이 없고 헤일로만 있으면 확정이다. HAADF에서 어두우면 평균 Z나 밀도가 낮다는 것까지만 말할 수 있다. 무엇인지는 성분 분석이 정한다.
보이드. HAADF에서 검고 BF에서 밝다. 두께 방향의 일부만 비어 있으면 회색으로 보이므로 크기를 작게 읽기 쉽다.
게이트 스택. Si 기판 위 계면 산화막(약 0.5~1 nm, HAADF에서 어둡다), HfO₂(Hf는 Z = 72라 아주 밝다), TiN 등 금속 게이트. 두께는 격자 영상의 기판 Si로 축척을 교정해 읽는다.
결정 결함. 에피·소스/드레인의 전위와 적층 결함은 정대축 HRTEM이나 2빔 조건의 BF/DF로 본다. 실리사이드가 {111} 면을 따라 채널 쪽으로 파고든 침투도 이 방법으로 찾는다.
축척 교정. 영상 배율의 오차는 수 %다. 같은 영상 안의 Si {111} 면 간격 0.3136 nm(또는 FFT의 111 점)를 내부 기준으로 삼으면 15 nm 층을 ±0.5 nm 수준으로 읽을 수 있다. 배선층처럼 시야에 Si가 없으면 같은 배율·같은 조건에서 표준 시료로 교정하고, STEM 주사 왜곡과 시료 표류를 함께 의심한다.

g·b = 0으로 전위의 버거스 벡터를 정한다2빔 조건에서 회절 벡터 $\mathbf g$를 골라 전위를 보면, $\mathbf g\cdot\mathbf b = 0$인 전위는 대비가 거의 사라진다. 서로 다른 $\mathbf g$ 두세 개로 사라지는 조건을 찾으면 버거스 벡터 $\mathbf b$를 정할 수 있다. 에피 결함이 공정 응력에서 왔는지, 주입 손상에서 왔는지 가리는 데 쓴다.

인공물, 손상, 그리고 대표성

TEM 영상의 모든 어두운 띠가 시료의 것은 아니다. 판독 전에 다음 인공물을 먼저 의심한다.

인공물	원인	영상에서	구분·완화
FIB 비정질 손상층	Ga 이온 충돌	라멜라 양면의 비정질 막이 격자 무늬를 흐림	저에너지(2~5 keV) 마무리, 저에너지 Ar 연마
Ga 주입·재증착	FIB 가공	EDS에 Ga, 표면 얼룩	Ga 신호는 시료 성분에서 뺀다
low-k 수축·손상	전자빔 이온화 손상(radiolysis)	관찰 중 low-k가 줄고 탄소가 빠짐	저선량, 빠른 촬영, 먼저 넓게 찍기
구리 이동·응집	빔 가열·충돌 변위	얇은 구리에서 구멍·덩어리	선량 제한, 냉각 홀더
산화막 손상	이온화 손상	SiO₂에 구멍, 계면 흐려짐	저선량, 가속 전압 선택
탄화수소 오염	집속 탐침이 표면 탄화수소를 굳힘	STEM 주사 영역이 점점 어두운 사각형	플라즈마 세정, 빔 샤워

빔 손상에는 두 갈래가 있다. 전자가 원자를 직접 밀어내는 충돌 변위(Knock-on)는 가속 전압이 높을수록 크다(Si는 약 150 kV 근처에 문턱이 있다). 전자가 결합을 끊는 이온화 손상(Radiolysis)은 오히려 전압이 낮을수록 크다. 산화막·low-k·폴리머 잔류물처럼 절연체는 이온화 손상이 지배하므로, 전압을 낮추는 것이 해결책이 아니다. 선량을 줄이고, 의심 영역은 처음 볼 때 바로 기록한다.

그리고 대표성. 라멜라 한 장은 대략 10 µm × 5 µm × 80 nm, 약 4 µm³이다. 칩에는 비아가 수십억 개 있고, 라멜라 한 장에 담기는 비아는 몇 개다. 앞 장들이 위치를 한 개의 비아까지 좁혀 주었기 때문에 이 한 장이 의미를 갖는다. 위치 추적 없이 무작위로 자른 TEM 영상의 "정상"은 아무것도 말해 주지 않고, 한 장에서 본 결함이 그 로트 전체의 원인이라는 보장도 없다. 같은 결함이 다른 불량 다이에서도 반복되는지 확인하는 것은 14장의 공통성 분석이 맡는다.

투영 문제를 정면으로 푸는 방법이 전자 토모그래피(Electron tomography)다. 시료를 약 ±70°까지 1~2° 간격으로 기울이며 HAADF 영상을 수십~백여 장 찍고 3차원으로 재구성한다. HAADF는 세기가 두께에 단조 비례해 재구성에 맞다. 판 모양 라멜라는 높은 각도에서 두꺼워져 빠진 쐐기(Missing wedge)가 생기므로, 바늘 모양 시료를 만들어 180° 전체를 돌리기도 한다. 분해능은 약 1~수 nm이고 시간과 선량이 많이 든다. 비아 보이드의 3차원 모양이나 GAA 나노시트의 앞뒤 비대칭처럼 투영으로는 답할 수 없는 질문에 쓴다.

이 기법이 주는 것과 못 주는 것TEM·STEM은 지정한 자리의 계면 구조를 원자 수준까지 보여 주고, 결정인지 비정질인지, 층이 끊겼는지, 상이 무엇인지를 회절과 영상으로 판정한다. 성분은 직접 알려 주지 않는다. HAADF의 밝기는 Z와 두께의 곱이라, 어두운 층이 가벼운 원소인지 얇거나 성긴 층인지 영상만으로는 가리기 어렵다. 그 몫은 같은 라멜라로 하는 EDS·EELS(13장)다. 시료는 이미 FIB로 잘려 되돌릴 수 없고, 관찰 자체도 빔 손상으로 시료를 바꾼다. 절연막과 잔류물은 볼수록 변하므로 가장 중요한 영상은 먼저 찍는다.

사건 파일

CASE FB-28사건 파일 · 12장

끊긴 배리어 아래, 정체 모를 15 nm

앞에서 FIB 단면으로 의심 V2 바닥의 어두운 틈을 보았고, 비아 중심을 담은 약 80 nm 라멜라를 만들었다. 200 kV STEM HAADF로 비아 바닥을 보았다. 정상 비아에서 바닥을 가로지르는 밝은 Ta/TaN 선이 이 비아에서는 한쪽에서 끊겨 있다. 그 아래, M2 구리 위에 약 15 nm 두께의 어두운 띠가 있다. 같은 영역의 HRTEM에서 구리와 달리 격자 무늬가 없고, FFT에 점 없이 헤일로만 보여 비정질 층으로 판정했다. 축척은 같은 배율에서 교정했다. 끊긴 배리어 위쪽의 비아 구리에는 HAADF에서 검은 보이드가 있다.

HAADF에서 띠가 어둡다는 것은 평균 원자 번호나 밀도가 구리보다 훨씬 낮다는 뜻이다. 그러나 그 층이 무엇으로 이루어졌는지는 이 영상이 말해 주지 않는다. 산화물인지, 다른 무엇인지는 아직 모른다. 관찰 중 띠가 변하지 않도록 선량을 낮추고, 같은 라멜라를 성분 분석으로 넘긴다.

얻은 단서바닥 배리어 한쪽 끊김, 그 아래 약 15 nm 비정질 층(HAADF에서 어둡다), 위쪽 구리 보이드.

아직 모르는 것비정질 층의 성분. 그것이 어느 공정에서 생겼는가.

다음 단계같은 라멜라에서 STEM EDS·EELS 선 분석(13장).

핵심 정리

200 kV 전자의 파장은 약 2.5 pm지만 분해능은 구면 수차가 정한다. 셰르처 분해능 $0.66\,C_s^{1/4}\lambda^{3/4}$은 $C_s$ = 1 mm에서 약 0.23 nm, 수차 보정으로 0.1 nm 이하다.
TEM 대비는 질량-두께, 회절, 위상(HRTEM) 세 갈래다. HRTEM의 점은 간섭 무늬이고 CTF와 초점에 따라 뒤집힌다.
회절 무늬는 단결정·다결정·비정질을 점·고리·헤일로로 구분하고, $Rd = \lambda L$로 면 간격을 준다.
HAADF-STEM은 대략 $\rho\,t\,Z^{1.7}$에 비례해 해석이 직관적이고, EDS·EELS와 같은 화소에서 함께 얻을 수 있다.
영상은 두께 방향의 투영이다. 라멜라가 구조보다 두꺼우면 앞뒤가 겹쳐 얇은 층이 묻히고, 얇으면 손상층과 위치 오차가 커진다.
FIB 손상층, Ga, 빔 손상, 오염을 먼저 의심하고, 한 장의 라멜라가 보는 부피가 극히 작다는 대표성의 한계를 기억한다.

확인 퀴즈

200 kV TEM에서 $C_s$ = 1 mm일 때 점 분해능이 파장(약 2.5 pm)보다 100배 가까이 나쁜 주된 이유는?

$d \approx 0.66\,C_s^{1/4}\lambda^{3/4}$에서 $C_s$ = 1 mm, $\lambda$ = 2.51 pm이면 약 0.23 nm다. 수차 보정기로 $C_s$를 줄여야 0.1 nm 아래로 내려간다.

200 kV, 카메라 길이 1000 mm에서 회절 고리 반지름이 13.1 mm였다. 면 간격은?

$d = \lambda L / R$ = 0.00251 nm × 1000 mm / 13.1 mm ≈ 0.192 nm. Si {220}에 해당한다.

HAADF-STEM에서 비아 바닥에 어두운 띠가 보였다. 이 영상만으로 말할 수 있는 것은?

HAADF 세기는 대략 $n\,t\,Z^{1.7}$의 합이다. 어둡다는 것은 그 곱이 작다는 뜻일 뿐, 성분은 EDS·EELS로 따로 확인해야 한다.

지름 45 nm 비아를 두께 150 nm 라멜라로 보았더니 측벽 배리어가 실제보다 두껍고 흐리게 보였다. 가장 그럴듯한 원인은?

라멜라가 비아 전체를 담으면 곡면 배리어의 투영이 폭을 갖는다. 배리어 두께는 빔에 나란한 바닥 면이나 더 얇은 라멜라에서 잰다.