반도체 재료 분석 방법 FIB의 개념 및 적용 사례

오늘 본문에서는 반도체 재료 분석 방법 중 하나인 FIB가 무엇인지와 적용된 사례들을 케이스 스터디를 통해 알아보겠습니다. 

 

 

FIB (Focused Ion Beam microscope)란?

반도체 재료분석 방법 중 하나인 FIB는 갈륨(Ga)을 금속 이온 소스로 사용하여 금속 및 산화물에 대한 이온 스퍼터링, 증착 및 에칭을 통한 리소그래피에 사용할 수 있는 MEMS에 매우 유용한 도구 중 하나입니다.

 

FIB는 갈륨(Ga)을 금속 이온 소스로 사용하며 6.98 ×10-38 토르의 극저 증기압은 다양한 진공 환경, 심지어 UHV에도 적합합니다. 이 시스템은 강한 전기장을 추가하여 금속 소스를 녹여 모양을 변형하고 마지막으로 소스는 정점이 Ga 이온 빔을 방출할 수 있을 만큼 날카로운 테일러 콘 모양을 유지하며 4.5 ev의 에너지 분산과 106 A/cm2.sr의 밝기를 가진 빔은 10nm보다 작은 영역에 초점을 맞출 수 있으므로 나노 리소그래피에 사용됩니다.

SEM과 결합된 FIB 시스템을 듀얼 빔 FIB라고 합니다. 이러한 장비는 SEM 모드의 비파괴 나노 검사 및 FIB 모드의 파괴 나노 리소그래피 모두에 사용할 수 있으며 특정 영역의 정밀한 나노 리소그래피에 강력하여 TEM 샘플 준비에 널리 사용되고 있습니다.

FIB는 IC 회로 수리, 선택된 영역의 단면 검사, 이온 채널링 콘트라스트 및 TEM 샘플 준비에 이용됩니다.

 

 

Focused Ion Beam microscope (FIB)의 적용 사례 스터디

케이스 스터디 1. 회로 편집

IC를 개발하기 위한 설계에는 일반적으로 기능 오류를 유발하는 많은 경우가 포함되어 있습니다. 따라서 기능 정확도를 테스트하기 위해 시험용 IC 제작이 필요합니다. 잘못된 IC 회로 설계는 오류를 일으키는 가장 중요한 원인 중 하나이므로 IC 개발을 위해서는 시험용 IC의 회로를 복구하는 방법이 필요하고 금속 및 산화물에 대한 절단, 에칭 및 증착에 강력한 힘을 가진 FIB 기술은 회로 수리 및 변경에 저렴하고 효율적으로 사용됩니다. 

일반적으로 수리 및 변경의 난이도는 회로 구조에 따라 달라지며 처리할 수 있는 영역이 증가함에 따라 난이도가 감소하는 추세입니다. 상위 레이어를 처리하는 것이 더 쉽고 구리 전선은 알루미늄 전선보다 변경하기 쉽습니다. 앞면의 편집 난이도는 뒷면의 편집 난이도보다 낮고 편집 공정에는 일반적으로 패시베이션 또는 산화물 제거, 금속 와이어 절단, 금속 증착, 연결 와이어 증착, 금속 패드 증착, 산화물 증착, 커패시터 생성 및 저항기 제작이 포함됩니다.

 

절연체 증착은 이온 빔 유도 가스(예: TEOS 또는 TMCTS)가 분해되어 SiO2를 형성함으로써 발생합니다. 금속 증착을 위해 선택할 수 있는 재료는 W와 Pt의 두 가지가 있으며 전자는 저항이 낮고 구멍을 채우는 힘이 더 좋지만 후자보다 증착 속도가 느립니다. 탄소막 증착에는 C10H8 가스가 사용됩니다. 

알루미늄은 I2, Br2 또는 Cl2로 에칭 할 수 있으며 쿠퍼는 이온 스퍼터링과 수증기의 조합으로 제거할 수 있습니다. 절연체 층은 XeF2로 에칭 됩니다.

 

고급 IC 회로의 회로 편집은 지속적으로 감소하는 와이어 피치 때문에 점점 더 어려워지고 있습니다. 이 어려움은 이온 빔 안정성과 같은 시스템 품질 개선, 에칭 및 증착을 위한 더 강력한 반응성 가스 개발, 전하 축적의 감소의 세 가지 방향을 통해 극복할 수 있습니다.

재료-분석-방법-FIB

케이스 스터디 2. 단면 검사

FIB는 정확한 위치에 구멍을 만들 수 있으므로 샘플 내부의 불량을 분석하는 데 강력합니다. 이러한 분석은 일반적으로 FIB 모드가 SEM 모드에서 위치와 형태 이미지가 제공되어 불량을 절단하는 데 사용되는 이중 빔 FIB 시스템을 활용합니다.

케이스 스터디 3. 이온 채널링 콘트라스트
많은 고체 결정은 특정 결정 방향과 함께 채널과 같은 간격을 가지고 있습니다. FIB 시스템은 갭과 정렬되거나 잘못 정렬된 이온 빔이 뚜렷한 두 번째 전자 및 이온 방출로 인한 명확한 이미지 대비 차이를 제공하기 때문에 이러한 갭을 관찰할 수 있을 만큼 강력하고 이 현상을 이온 채널링 콘트라스트라고 합니다.

이온 채널링 콘트라스트 이미지는 다양한 결정의 적층 구조를 명확하게 보여주고 입자 크기와 방향을 분석할 수 있을 만큼 유용합니다. 

 

케이스 스터디 4. TEM샘플 준비(프리씬, 리프트아웃, 옴니 프로브)
TEM 샘플을 준비하는 FIB 기반 방법에는 프리씬, 리프트아웃, 옴니 프로브의 세 가지가 있습니다.

Pre-thin
기계적 연마로 샘플을 5~10㎛로 얇게 만든 다음 FIB 리소그래피로 0.1㎛로 얇게 만드는 사전 박막화 방법의 일반적인 공정을 보여줍니다. 이 방법은 변형 없이 균일한 대형(~50um) TEM 샘플을 만드는 데 사용할 수 있으나 다른 방법에 비해 복잡하고 시간이 많이 소요된다는 단점이 있습니다.

Lift-out
얇은 영역은 FIB를 사용하여 영역 가장자리에 충격을 가하는 "U-컷"으로 샘플에서 분리합니다. 얇은 시료는 정전기 인력이 있는 유리 프로브에 의해 탄소 필름이 있는 Cu 그리드로 이동합니다. 이 방법은 일반적인 작업 시간이 1시간 미만인 가장 효율적인 시료 준비 방법이기 때문에 널리 사용되고 있으나 Cu-그리드로 전환한 후 시료를 재 작업하거나 처리하기 어렵다는 단점이 있습니다. 따라서 처리된 시료의 품질은 엔지니어의 준비 능력에 따라 크게 좌우됩니다.

Omni-probe
FIB를 사용하여 샘플을 1~2㎛로 국소적으로 얇게 만드는 방식이 옴니 프로브 방법입니다. 프로브는 얇은 영역에 FIB 증착을 통해 백금을 연결하며 프로브는 얇아진 시편을 적절한 위치와 각도로 이동시켜 FIB 충격으로 시편 형태를 정밀하게 수정하는 데 사용됩니다. 이 수정 프로세스는 TEM 검사에 적합한 형태가 될 때까지 여러 번 수행할 수 있습니다.

 

이와 같이 다양한 적용 사례를 통해 FIB의 여러 가지 쓰임에 대해 알아보았습니다. 각 공정의 상황과 문제에 맞게 적용된다면 FIB는 가장 효율적 이면서도 합리적인 방안이 될 것입니다.