웨이퍼 레벨 기능 검증 1 [반도체 검증]

󰊱 웨이퍼 레벨 테스트 개요

반도체 IC 웨이퍼 제조 공정 중에 발생된 결함들은 각각의 단위 공정에서 스크라이브 라 인(scribe line)안에 있는 테스트 모듈에서 기본적 전기 특성 테스트를 통해 간접적으로 소 자의 전기 특성을 찾아낸다. 더불어 웨이퍼 칩 상에서는 공정 중에 전기적 테스트를 할 수 없으므로 물리적 손상과 오염물질을 찾아내어 단위 공정을 최적화하는데 사용한다. 이 런 약식의 테스트는 고객이 원하는 사양의 소자 특성 검증 방법이 아니다. 소자의 총체적 인 검증 테스트는 웨이퍼 제작 공정이 완료된 후 DC, AC, 기능(function) 테스트 등을 통 하여 고객이 요구한 제품 특성 규격에 따라 양품과 불량으로 나누어 판별되고, 이 양품과 불량품의 비율이 제품의 테스트 수율이 된다. 테스트의 주요 공정을 정리하면 아래와 같다.

 

1. DC parametric 테스트(ET Test)

ET Test는 반도체 제조 공정 중 중요한 단위 공정으로 반도체 집적회로(IC) 동작에 필요 한 개별 소자들(트랜지스터, 저항, 캐패시터, 다이오드)에 대해 전기적 직류 전압, 전류 특 성의 파라미터(parameter)를 테스트하여 작동 여부를 판별할 수 있다.

 

2. 웨이퍼 번인(WBI: Wafer Burn In)

웨이퍼 번인 공정은 제품 초기에 발생하는 높은 불량률을 효과적으로 제거하기 위해 실시 한다. Wafer에 일정 온도의 열을 가한다음 교류/직류(AC/DC) 전압을 가해 제품의 취약 부 분, 결함 부분 등 잠재적인 불량 요인을 발견하여 제품의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

 

3. BIST(Built-in Self-test)

내장 시험 장치(BIT: Built-in Test)는 기계가 스스로 테스트할 수 있게 하는 매커니즘이다. 내장 자체 시험 장치는 높은 신뢰성과 낮은 수리 주기 횟수와 같은 요구사항을 충족시키 기 위해서 설계되었다. 또한, 제한된 기술자 접근성과 제조 시 테스트 비용 제약조건들을 고려하여 설계되었다. BIST의 주요 목적은 복잡함을 감소시킴으로써 비용을 줄이고, 외부 (패턴 프로그램) 테스트 장비에 대한 의존도를 줄이는 것이다. BIST는 두 가지 방법으로 비 용을 절감한다. 첫 번째는 테스트 순환 주기를 감소시킨다. 두 번째는 테스트 제어에 있어 꼭 구동/검사 되어야 할 I/O신호의 수를 줄임으로써 테스트/프로브 셋업의 복잡성을 줄인 다. 두 방법 모두 자동 시험 장치(ATE) 서비스에 대한 시간당 비용을 감소시키는 결과를 낳는다.

 

4. Pre Laser 테스트

전기적 신호를 통해 웨이퍼 상의 각각의 칩들이 정상인지 이상이 있는지 판정하고, 수선 (repair)가능한 칩은 수선 공정에서 처리하도록 정보를 저장한다. 이때 특정 온도에서 발생 하는 불량을 잡아내기 위해 상온보다 높고/낮은 온도에서 테스트를 진행한다.

 

5. Laser Repair & Post Laser 테스트

전 공정(pre laser)에서 불량이 발생하였지만 수선(repair) 가능한 것으로 판정된 칩들을 모 아 laser beam을 이용해 수선하는 공정으로 wafer test 가운데 중요한 공정이다. 수선이 끝나고 나면 post laser공정을 통해 수선이 제대로 이루어졌는지 재차 검증을 실시하는 것 이다.

 

6. 표시(Inking)

Pre laser 및 post laser에서 발생된 불량 칩에 특수 표시(특수 잉크 사용)를 하여 육안으 로 불량 칩을 식별하기도 하고, data base를 통해 불량 칩에 대해 저장 및 식별 할 수도 있다. 조립 과정에서 표시된 불량 칩은 패키징(packaging) 공정을 진행할 필요가 없다. 패 키지 공정 진행 시 원, 부자재, 설비, 시간, 인원 등의 절감을 위해서다. 웨이퍼 내에서 완 성되지 않은 dummy die의 경우도 표시 및 식별 공정을 통해 구분이 가능하다.

 

󰊲 테스트 시스템과 장비

테스트 시스템은 DUT(device under test)가 초기에 의도한 목적으로 사용되어질 동작 상태 를 가상적으로 만들어 준다. 이는 자동화된 검사 시스템을 의미하며, ATE(automated test equipment)라고도 불린다. 테스트 장비는 일련의 명령(test program)들을 수행하는 컴퓨터 에 의해 제어된다. 테스터(tester)는 정학한 전압(voltage), 전류(current), 타이밍(timing), 기 능 상태(functional state)를 DUT에 제공해야 하고, 각 테스트 시 디바이스로부터의 반응을 모니터해야 한다. 그런 다음 각 테스트의 결과 값을 미리 정의된 한계값과 비교하고 Pass/Fail을 결정한다. 테스트 시스템은 전원 공급 장치, 측정기, 신호 발생기(signal generator), 패턴 발생기(pattern generator), 그 외 하드웨어(hardware) 장치들로 구성되어 있으며 하나의 컨트롤러에서 모든 동작이 수행된다.

 

󰊳 웨이퍼 테스트 장비의 구성 요소 및 동작 원리

웨이퍼 레벨에서 칩 검사 구성 요소는 크게 3가지로 분류할 수 있다. 그 구성 요소 장비 는 테스터(tester), 프로브 스테이션(probe station), 프로브 카드(probe card)이다.

 

1. 테스터(Tester)

테스터는 칩 설계가 특정 디바이스에 맞게 되어 있는지 전기적 특성을 프로그램하여 다량 의 칩을 한 번에 검사할 수 있는 다중 채널(channel)들을 구현해 준다. 측정하고자 하는 신호들을 웨이퍼 칩에 인가하여 출력되는 신호를 측정하여 양품인지 불량인지 판별하여 준다. 그리고 불량 칩의 위치를 표시하여 주고 각종 신호 드라이버(driver), 입출력(I/O), 클 럭(CLK), 파워 채널(power channel) 등을 제어하여 다양한 전기적 특성 검사를 할 수가 있 다. 대표적으로 A사의 메모리 테스트용으로 T5375, T5377, T5383 과 Y사의 AL6050 장비 들이 반도체 테스트용으로 많이 사용되며, 기타 N사, H사 장비 등이 있다.

 

2. 프로브 스테이션(Probe Station)

프로브 카드의 마이크로 프로브 팁이 웨이퍼의 칩 패드를 접촉할 수 있게 자동정렬 해주 는 장치로써 자동화 프로빙 스테이션(Automatic Probing Station)이다. 웨이퍼를 보관하는 카셋트 캐리어(cassette carrier)로부터 웨이퍼를 웨이퍼 핸들링 로봇으로 꺼내어 이를 진 공 척(vacuum chuck)으로 이송시킨 후 프로브 카드의 자동 정렬 키(key)를 사용하여 1차 웨이퍼의 칩 패드와 정렬한다. 이후 정밀하게 2차로 마이크로 팁과 패드를 최종 정렬하여 주고 프로브 카드와 웨이퍼의 평탄도 차이를 과도 드라이버(over driver)를 조절하여 수 만개의 팁과 패드가 접촉할 수 있게 하여 전기적 특성 검사를 할 수 있게 해준다. 검사가 완료되면 다시 웨이퍼를 캐리어로 이송한다.

 

3. 프로브 카드(probe card)

프로브 카드는 test에서 나온 신호를 wafer 위의 다량의 칩에 전달해 주고 전기적 검사를 해주는 장치이다. 한 번에 다량의 칩을 검사할 수 있게 수만 개의 마이크로 팁을 DUP 맵 (map)에 맞게 구현하여 수십 마이크로 파인 피치(fine pitch) 패드를 마이크로 팁을 사용하 여 접촉하여 줌으로써 전기적 신호를 전달해 준다. 그리고 패드 위를 마이크로 팁이 접촉 하면서 팁의 장력을 이용하여 산화막을 제거하여 주고, 팁이 접촉한 자국(scrub mark)을 남기게 된다. 단순하게 테스터와 웨이퍼 칩 간의 전기적 신호를 연결하여 주는 인터페이 스(interface) 역할을 하여 주지만, 칩의 패드 집적도가 증가하고 동작 주파수가 높아지면 서 프로브 카드의 전기적 특성을 고려한 설계가 중요시 되고 마이크로 팁의 소형화가 요 구되고 있다. 반도체 칩 웨이퍼 제작 공정 후 패키지(package)하기 전에 결함이 있는 칩을 분별하여 제품의 수율을 향상시키기 위해 웨이퍼 레벨에서 먼저 검사를 하여 불량 칩을 판별하여 주는 것을 EDS Electrical Die-Sorting Test) 검사라 한다. EDS 검사는 반도체 검사 장비 테스터(tester)에서 발생되는 신호를 웨이퍼 패드(pad)와 프로브 카드(probe card) 를 프로빙(probing) 해주는 프로브 스테이션(probe station)을 통해 인가하여 준다. 웨이퍼 패드를 프로브 팁(tip)이 접촉한 상태에서 신호를 입력하고 출력되는 신호를 감지하여 전 기적 검사를 하는 시스템이다. 최근 반도체 소자는 고집적화 되어감에 따라 입출력(I/O) 패드 단자의 개수 및 미세 피치 패드(pitch pad)로 조밀도가 증가하고 있는 추세이며, 웨 이퍼 레벨 테스트를 하기 위한 프로브 카드 기술도 더욱 미세 피치 프로브 팁 구현과 집 적화되어야 한다. 프로브 카드는 반도체 웨이퍼 레벨에서 웨이퍼의 제작이 완성되면 칩들 을 절단하기 전에 테스터와 웨이퍼 칩 입출력 패드 간에 인터페이스 역할을 해주며, 신호 를 전달하여 칩이 양품인지 불량인지 분별하여 준다. 반도체 입출력 패드 사이즈가 작아 지고 패드 개수는 증가하며, 패드 피치가 감소하는 추세라 기존 니들 타입 프로브 카드 (needle type probe card)로 wafer를 검사하는 것이 어려운 시점이다. 최근 이런 한계점을 극복하기 위하여 개발되고 사용되는 것이 미세 전자 기계 시스템인 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 기술을 사용한 차세대 프로브 카드이다.