반도체 후공정 : 반도체 테스트의 이해 (2)

 

지난 글에서 반도체 제조 공정 중에 테스트와 패키지에 대한 글을 작성하였습니다.

 

2024.01.05 - [반도체 이야기/반도체 이론] - 반도체 후공정 : 반도체 테스트의 이해 (1)

반도체 후공정 : 반도체 테스트의 이해 (1)

 

이번 글에서는 지난 내용에 이어 웨이퍼 테스트의 종류에 대해서 계속하여 알아보도록 하겠습니다.

 

 

지난 글에서 웨이퍼 테스트의 종류에는 EPM, Wafer burn-in, Repair 등이 있다고 말씀드렸는데요.

먼저 EPM이 무엇인지 알아보도록 하겠습니다.

 

 

 

EPM (Electrical Parameter Monitoring)

웨이퍼 테스트의 목적은 불량 제품을 걸러내는 것도 있지만, 개발이나 양산 중인 제품의 결함을 피드백하여 개선하는 목적으로 활용하기도 합니다.

EPM은 불량을 걸러내는 것 보다는 제품의 단위 소자의 전기적 특성을 평가, 분석하여 웨이퍼 제작 공정에 피드백하는 것이 주 목적입니다.

 

 EPM은 만들어진 웨이퍼가 본격적인 테스트에 들어가기게 앞서 설계 및 소자 부서에서 제시한 제품의 기본적인 특성을 만족하는지를 검사하는 과정으로 트랜지스터 특성, 접촉 저항 등을 전기적 방법으로 측정하는 공정이기도 합니다.

 

테스트 관점으로는 소자의 전기적 특성을 활용하여 DC 인자 (Parameter)를 추출하고, 각 단위 소자의 특성을 모니터링할 수 있습니다.

 

 

웨이퍼 번인 (Wafer Burn in)

 아래 그림은 제품 수명 동안의 불량률을 시간 함수로 표현한 것인데요.

모양이 욕조를 닮았다고 해서 욕조 (Bath tub) 그래프라고도 불립니다.

 

제품 사용 시간에 따른 불량률 (출처: SKhynix 뉴스룸)

 

디바이스의 수명 초기에는 제품 제조상 불량 때문에 생기는 고장, 즉 초기 불량 (Early failure)이 많습니다.

제조 상에서 오는 불량이 사라지면 그 제품의 사용 수명 동안은 불량률이 낮아지게 되겠죠. (Random failure)

그리고 제품이 수명이 다하면 (=Wear out) 다시 불량률이 높아지게 됩니다.

 

만들어진 제품을 바로 고객에게 준다면, 초기 불량 때문에 고객 불만이 높아지고 반품 등의 이슈가 생길 가능성이 높겠죠.

그래서 제품이 가지고 있는 잠재적인 불량을 유도하여 초기 불량을 미리 선별하기 위해 하는 것이 바로 Burn-in 입니다.

 

Wafer burn-in은 온도와 전압을 인가하여 웨이퍼 상태의 제품에 스트레스르 줌으로써 초기 불량 기간에 나타날 수 있는 불량이 모두 드러나도록 만들게 하는 것입니다.

 

 

테스트

Wafer burn-in으로 초기 불량을 도출한 웨이퍼는 프루브 카드로 웨이퍼 테스트를 실시하게 됩니다.

웨이퍼 테스트는 웨이퍼 레벨에서 칩의 전기적 특성을 검사하는 공정인데요.

불량 칩 사전 검증, 패키지와 실장 등에서 생길 불량을 미리 선별해 웨이퍼 레벨의 불량 분석을 통한 제조 공정 피드백, 소자/설계 피드백 등이 주요 목적 입니다.

 

웨이퍼 테스트에서 불량을 선별하게 되면 불량인 셀의 일부는 리페어 (Repair)라는 과정을 통해 여분의 셀로 대체할 수 있게 되는데요.

리페어 후에는 대체된 셀이 제대로 역할을 수행하여 칩이 스펙을 만족하는 양품으로 판정할 수 있는지를 확인하기 위해

다시 한번 웨이퍼 테스트를 진행하게 됩니다.

 

 

리페어 (Repair)

리페어는 주로 메모리 반도체에서 수행하는 공정으로 불량 셀을 여분의 셀로 대체하는 리페어 알고리즘이 적용됩니다.

예를 들어, DRAM 256bit 메모리의 웨이퍼 테스트 결과 1bit 불량이면 이 제품은 255bit 가 되겠죠.

하지만 여분의 셀이 불량인 셀을 대체할 수 있게 되면 다시 256bit를 만족시키고 고객에게 판매할 수 있는 양품이 됩니다.

리페어를 통해서 결국 수율이 증가하게 되는 것입니다.

 

이 때문에 메모리 반도체는 설계 시, 반드시 여분의 셀을 만들어 테스트 결과에 따라 대체할 수 있도록 만들고 있습니다.

하지만 불량을 대비한 여분의 셀을 만든다는 것은 그만큼 공간을 차지하고, 칩 크기를 키우게 되는 것입니다.

그 때문에 모든 불량을 대체할 수 있는 여분의 셀, 예를 들어 256bit를 대체할 수 있는 여분의 256bit를 만드는 것은 불가능 합니다.

그래서 공정 능력을 고려하여 수율 증가 효과를 최대로 나타낼 수 있는 수준의 여분 셀을 만들고 있습니다.

 

즉, 공정 능력이 좋아서 불량이 적다면 여분 셀을 만들지 않아도 되고 공정 능력이 좋지 않아 불량이 많을 것으로 예상되면 여분의 셀을 더 만들게 되는 것입니다.

 

리페어는 열 (Column) 단위 리페어와 줄 (Row) 단위 리페어로 나뉘는데요.

열에 여분의 열을 만들어 불량 셀이 있는 열을 여분의 열로 대체하는 것이 열 단위 리페어 이고, 여분의 줄을 만들어 불량 셀이 있는 줄을 여분의 줄로 대체하는 것이 줄 단위 리페어 입니다.

 

 DRAM의 리페어 공정은 불량 셀이 있는 열이나 줄의 물리적 연결을 끊어 단선이 되게 하고, 여분의 셀이 있는 열이나 줄을 연결합니다.

 

리페어는 레이저 리페어와 e-퓨즈 리페어라는 것이 있는데요.

레이저 리페어는 레이저로 배선을 태워서 불량 셀의 연결을 끊는 것을 말하는데, 이를 위해선 외부에서 배선에 레이저를 쏠 수 있도록 배선이 노출되어야 합니다. 그래서 웨이퍼의 패드 주변에 열이나 줄과 연결된 배선이 노출되도록 칩의 보호층 (Passivation layer)가 벗겨진 영역 (Open)을 만들어 놓고, 레이저로 리페어를 합니다.

 

레이저 리페어는 웨이퍼 테스트 공정에서만 가능합니다.

왜냐하면 패키지 공정을 진행하고나면 칩의 표면이 패키지 재료에 의해서 다 덮히기 때문입니다.

 

e-퓨즈 리페어는 배선에 높은 전압이나 전류를 인가하여 불량 셀의 연결을 끊어버리는 것인데요.

이 방법은 내부 회로에서 리페어 되기 때문에 배선 노출을 위한 칩의 보호층을 벗긴 영역을 만들 필요가 없고, 테스트 공정에서뿐만 아니라 패키지 테스트 공정에서도 작업이 가능합니다.

 

 

패키지 테스트

 웨이퍼 테스트에서 양품으로 판정된 칩은 패키지 공정을 진행하고, 완성된 패키지는 다시 한번 패키지 테스트를 진행하게 됩니다.

웨이퍼 테스트 시에 양품이었던 것도 패키지 공정 중 불량이 발생할 수 있으므로 패키지 테스트는 필수적 입니다.

 

 웨이퍼 테스트는 동시에 여러 칩을 테스트하는 장비 성능의 한계로 원하는 항목을 충분히 테스트하지 못할 수도 있는 반면에,

패키지 테스트는 패키지 단위로 테스트하기 때문에 장비에 주는 부담이 적습니다.

 따라서 원하는 테스트를 충분히 진행하여 제대로된 양품을 선별할 수 있습니다.

 

패키지 테스트를 위해서는 먼저 패키지의 핀 (pin)이 아래쪽을 향하도록 패키지 테스트 소켓에 넣어 소켓에 있는 핀들과 물리적으로 접촉하게 합니다. 그리고 이 패키지 소켓을 패키지 테스트 보드에 장착하여 패키지 테스트를 진행합니다.

 

아래 그림에서는 핀이 아니라 솔더 볼 (Solder Ball) 타입으로 설명되어 있으니 참고하시면 되겠습니다.

 

패키지 테스트 시스템 (출처: SKhynix 뉴스룸)

 

 

TDBI (Test During Burn-in)

제품의 잠재 불량을 초기에 제거하기 위해 제품에 전압과 온도로 스트레스를 가하는 테스트가 위에서 Burn in 테스트라고 말씀드렸는데요.

패키지로 만든 후 실시하는 번인은 TDBI, 즉 Test During Burn-in 이라고 부릅니다.

 

 Burn-in은 웨이퍼에서도 할 수 있고 패키지에서도 할 수 있지만 대부분의 반도체 제품은 웨이퍼와 패키지에서 번인을 동시에 적용하고 있습니다.

 

제품의 특성을 잘 이해했다면 Burn in 시간과 공정 수를 줄이는 조건을 찾아서 burn in을 실시하는 것이 양산의 개념에서는 가장 효율적인 방향이라고 할 수 있습니다.

 

테스트

데이터시트에 정의된 동작이 사용자 환경에서 정상적으로 동작하는지 판단하는 공정입니다.

여기서 데이터 시트란 반도체 제품에서 보장할 수 있는 특성 정보를 정의한 일종의 규정서라고 생각하시면 되겠습니다.

 

온도 코너 테스트를 실시하여 제품에 AC/DC 인자 약점 및 Cell & Peri 영역에서 고객이 요구하는 동작이 스펙을 만족하는지 검증할 수 있는데요. 이때 데이터 시트 조건보다 좀 더 열악한 조건 및 최악의 동작 조건을 조합하여 테스트를 실시합니다.

 

 

외관 (Visual) 검사

테스트가 완료되면 테스트 결과, 특히 스피드 구분이 필요한 경우 스피드 특성을 패키지 외관에 기록해야 하는데, 

이 때문에 레이저 마킹 (Laser Marking) 작업이 필요합니다.

 

패키지 테스트가 완료된 후 마킹까지 진행하였다면, 패키지 트레이 (Tray)에 테스트 결과 양품인 패키지를 담는 과정까지 끝나면 고객에게 출하할 수 있는 단계까지 완료된 것 입니다.

 

 최종적으로 고객에게 출하되기 전에 외관 검사를 실시하여 외관 불량까지 선별을 해야하는데요.

외관 검사 시, Body에서는 균열, 마킹 오류, 트레이에 잘못된 것 등을 선별하고

Solder ball 에서는 볼 눌림, 볼이 없는 불량 등을 선별하게 됩니다.