이온주입 빔 Misalignment 사고

이온주입(Ion Implantation)은 반도체 소자의 전기적 특성을 결정하는 핵심 공정이다. 그러나 이 공정은 동시에 반도체 제조 과정에서 가장 치명적인 사고를 유발하는 단계이기도 하다. 특히 ‘빔 Misalignment(빔 정렬 오류)’는 한 번 발생하면 전체 Lot을 폐기해야 할 정도로 피해가 크다. 이번 사고 사례는 실제 공정에서 가장 빈번하면서도, 엔지니어들이 가장 두려워하는 상황 중 하나다.

1. 사고의 시작: 전기 특성 테스트에서 나타난 비정상적인 Threshold Voltage

문제는 소자 전기적 테스트(WAT) 단계에서 시작되었다. 정상적으로는 문턱전압(Threshold Voltage)이 공정 스펙 범위 내에서 고르게 분포해야 하지만, 특정 영역에서 비정상적으로 높은 Vt가 관찰되었다. 일부 영역은 반대로 문턱전압이 낮게 측정되며 N형·P형 특성이 서로 뒤섞인 모습까지 보였다. 이는 소자에 필요한 도펀트 농도가 제대로 주입되지 않았다는 것을 의미했다. 문제는 이 이상 현상이 웨이퍼 전체가 아니라 특정 방향으로 길게 이어지는 형태였다. 즉, “라인 형태의 불량”이었다.

2. 초기 진단: 공정 Recipe는 정상, 도즈(Dose) 로그도 문제 없음

엔지니어들은 가장 먼저 이온주입 장비의 도즈(Dose) 기록과 주입 에너지(Energy), 가속전압 등의 로그를 확인했다. 이상은 발견되지 않았다. 주입량도 스펙 안에 있었고, 공정 중 모니터링된 빔 전류도 정상 범위였다. 즉, 단순한 과주입·저주입이 아닌 “위치 문제”였다는 가능성이 커졌다.

3. 본격적인 원인 추적: 빔이 중심을 벗어난 Misalignment

문제의 핵심은 이온빔이 웨이퍼 중심에 정확히 주입되지 않았다는 점이었다. 이온주입 장비는 고속으로 회전하는 웨이퍼 위에 빔을 정밀하게 쏘는데, 이 각도와 중심축이 수 밀리도만 틀어져도 주입 깊이, 분포, 농도가 크게 달라진다. 장비 내부 기록을 분석하던 중 엔지니어들은 주입 과정에서 웨이퍼를 고정·측정하는 Stage Alignment 센서가 일시적으로 신호 오류를 일으킨 것을 발견했다. 이 오류는 0.1초도 되지 않는 순간 발생했지만, 그 사이 빔은 중심에서 벗어난 방향으로 쏠렸고, 그 결과 특정 라인 전체가 잘못된 각도에서 이온을 맞게 되었다.

4. 사고의 직접 원인: 웨이퍼 홀딩 Chuck의 진공 압력 불안정

추가 조사에서 밝혀진 진짜 원인은 ‘진공 Chuck의 홀딩력 저하’였다. 웨이퍼를 고정하는 Chuck의 진공 라인이 미세하게 막혀 있던 상태였고, 회전 중 특정 위치에서만 홀딩력이 약해졌다. 이로 인해 웨이퍼가 미세하게 흔들렸고, 그 순간 빔이 계획된 경로에서 벗어났다. 이 흔들림은 ±10μm 수준으로 사람이 육안으로는 절대 확인할 수 없지만, 5nm·3nm 공정에서는 치명적이다.

5. 피해 규모: Lot 전체 폐기, 장비 2일간 SHUT DOWN

Misalignment 사고는 다른 공정보다 피해가 더 크다. 이온주입은 소자 전기적 특성의 기초를 만드는 공정이기 때문에, 한 번 잘못 주입된 도펀트는 돌이킬 수 없다. 결과적으로 해당 Lot 전체가 스크랩 처리되었고, 장비는 Chuck 세정 및 센서 리포지션 작업을 위해 48시간 동안 가동이 중단되었다. 한 Lot당 수천만원에서 수억원 이상의 손실이 발생했으며, 장비 가동 중단까지 감안하면 피해는 수십억원 규모로 커졌다.

6. 이 사고가 위험한 이유: “잘못 주입된 도펀트는 되돌릴 수 없다”

식각·증착 불량은 Rework가 가능한 경우도 많지만, 이온주입은 절대 그렇지 않다. 도펀트가 실리콘 결정 속 깊은 곳까지 침투하기 때문에 제거가 불가능하다. Misalignment는 다음과 같은 위험성을 가진다. 1) 특정 라인 또는 패턴이 전체적으로 잘못된 농도로 도핑됨 2) 문턱전압이 불안정해 트랜지스터 동작 불안정 3) 누설전류 증가로 칩 신뢰성 저하 4) 장기 동작 시 성능 열화

7. 사고 재발 방지 대책

사고 이후 엔지니어링 팀은 장비 진공 라인과 Chuck 상태를 강화된 기준으로 관리하게 되었다. 주요 개선 조치는 다음과 같다. 1) 진공 압력 변화 실시간 모니터링 시스템 추가 2) Stage Alignment 센서 이중화 3) 빔 위치 자동 캘리브레이션 주기 단축 4) 회전 중 웨이퍼 흔들림 감지 알고리즘 도입 5) Chuck 오염 수준을 AI가 예측하는 유지보수 체계 구축

8. 시사점: 미세공정 시대에는 ‘정렬 오차’가 가장 위험한 적이다

이온주입 Misalignment 사고는 엔지니어들에게 가장 악몽 같은 사고 중 하나다. 미세공정에서는 수 마이크로미터의 오차도 불량을 유발하며, 도펀트 주입은 되돌릴 수 없기 때문이다. 3nm·2nm·GAA 시대에는 소자 구조가 더욱 복잡해지면서, 이온 주입 방향과 깊이의 영향을 더 크게 받는다. 따라서 정렬 시스템의 안정성은 그 어느 때보다 중요해졌다.

9. 결론: 이온주입 사고는 “한 번의 흔들림이 수십억원을 날린다”

이 사례는 반도체 제조가 얼마나 정밀하고 위험한지 보여주는 대표적인 예다. 눈에 보이지 않는 10μm의 흔들림이 수천개의 칩을 불량으로 만들 수 있으며, 이 오류는 절대 되돌릴 수 없다. 공정이 미세화될수록 장비의 정렬 시스템과 유지보수의 중요성은 더 커질 것이며, 제조사는 사고를 예측하고 사전에 방지하는 능력이 핵심 경쟁력으로 떠오르게 된다. 다음 편에서는 반도체 공정 전체를 마비시킬 수 있는 ‘CMP 슬러리 오염 사고’를 다룬다. 보이지 않는 화학물질 하나가 어떻게 전체 수율을 붕괴시키는지 구체적으로 살펴본다.