반도체 웨이퍼레벨 신뢰성 시스템

개요

NI의 PXI SMU를 장착한 병렬 웨이퍼 레벨 신뢰성 시스템을 통해서 방대한 양의 신뢰성 데이터 수집 및 테스트 비용 절감이 가능합니다.

 
PXI 시스템 구성하기

목차

  1. 신뢰성 테스트
  2. 웨이퍼 레벨 신뢰성
  3. 웨이퍼 레벨 신뢰성 테스트 시스템 구축을 위한 기존의 접근 방식
  4. 웨이퍼 레벨 신뢰성(WLR) 테스트 시스템 구축을 위한 새로운 접근 방식
  5. PXI: 경쟁 우위
  6. 자세히 알아보기

그림 1. 모듈식 PXI 플랫폼은 테스트 어플리케이션에 확장 가능한 고밀도 솔루션을 제공합니다.

 

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신뢰성 테스트

디바이스의 신뢰성은 보통 시간 경과에 따른 실패율로 나타냅니다. 실패율은 제조 직후에 가장 높으며 제품의 사용 기간이 경과하면 또다시 높아집니다.

그림 2. 전형적인 디바이스 신뢰성 모델

 

그래프의 왼쪽 면은 제조 공정의 결함으로 인해 조기 실패율이 높다는 사실을 보여줍니다. 생산 과정 중 검사를 통해 이러한 유형의 실패를 선별해내면 결함이 있는 부품이 고객에게 배송되는 확률을 최소화할 수 있습니다. 그러나 생산 과정 중에 수행하는 기능 테스트는 디바이스의 조기 마모를 유발할 수 있는 결함을 식별하지 못하고 제품의 가용 시간에 대한 유용한 정보를 제공하지 못합니다. 신뢰성 테스트는 이러한 유형의 결함 메커니즘을 파악하고 제품의 가용 수명을 예상합니다.

신뢰성 테스트는 디바이스를 스펙의 극한치(보통 전압 및 온도)까지 몰아붙여 디바이스의 마모를 가속화하고, 알려진 실패 메커니즘을 고려한 가용 시간을 모델링합니다. 이러한 테스트는 웨이퍼 또는 패키지 부품을 대상으로 수행할 수 있습니다. 웨이퍼 레벨 신뢰성(WLR) 테스트는 제조 공정 중 비교적 초기에 더 많은 데이터를 제공하여 IC의 절단 및 포장과 관련한 비용 및 파손 발생을 방지합니다.

 

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웨이퍼 레벨 신뢰성

더 많은 데이터를 보다 저렴한 비용으로 처리하기 위해 고심하는 신뢰성 엔지니어

웨이퍼 레벨 신뢰성 테스트는 디바이스의 가용 시간과 장기적 신뢰성에 관한 정보를 추출하는 파라미터 테스트의 일종입니다. 이 테스트는 보통 개발 중인 실제 IC가 아닌, 파라미터 데이터의 수집을 위해 웨이퍼 내부에 구축되는 테스트 구조 및 전용 다이 세트를 대상으로 합니다. 일반적으로 트랜지스터, 커패시터, 저항기 등의 기본적인 웨이퍼 부품으로 구성되어 제조 공정에 대한 정보를 얻게 됩니다. 대부분의 WLR 테스트는 전압 또는 전류와 같은 스트레스를 가하고 디바이스의 응답을 측정하여 성능 저하의 징후가 없는지 모니터링합니다. 보통은 바이어스 또는 네거티브 바이어스 온도 불안정 (BTI 또는 NBTI), 핫 캐리어 인젝션(HCI), 시간별 전압 강하(TDDB), 일렉트로마이그레이션(EM)과 같은 실패 메커니즘이 사용됩니다.

 

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웨이퍼 레벨 신뢰성 테스트 시스템 구축을 위한 기존의 접근 방식

웨이퍼 레벨 신뢰성 테스트(WLR) 시스템의 측정 기능 및 아키텍처는 약 10년간 많은 변화를 겪어 왔습니다. 특화된 WLR 시스템에는 고주파수 AC 또는 펄스 자극이 사용될 수 있으나, 대부분의 CMOS 디바이스는 파라미터 데이터 수집에 필요한 스트레스와 측정 기능을 제공하는 SMU(Source Measure Unit) 등의 DC 계측기로 테스트됩니다. WLR 시스템 구축을 위한 2가지 주요 접근 방식으로는 기존의 박스형 계측기를 이용한 랙앤스택 시스템 구축 및 전용 턴키 시스템의 구매를 꼽을 수 있습니다.

 

랙앤스택(Rack-and-Stack) 시스템

SMU는 표준 테스트 랙에 배치할 수 있고 채널 수가 한정되어 있으며 가격이 높은 고정밀 DC 계측기입니다. 이러한 제약으로 인해 SMU는 스위칭 매트릭스와 결합, SMU의 신호를 10여 개의 테스트 지점으로 라우팅하여 노이즈와 전류 누설, 릴레이의 열 기전력을 최소화하는 경우가 많습니다. 이러한 접근 방식은 소수의 테스트 구조에 시리얼 테스트를 수행하여 통계적으로 의미 있는 신뢰성 데이터를 얻는 데 효과적입니다. 스위칭은 보통 채널당 $5,000 ~ $10,000를 호가하며 19인치 테스트 랙 전체의 채널 수가 20 ~ 40개로 제한되는 박스형 계측기의 실용적 연장선이기도 합니다. 그러나 릴레이의 예상 성능을 고려할 때 스위칭 서브시스템은 값비싼 대형 WLR 시스템에 해당하는 경우가 많습니다.

 

턴키 시스템

이를 대체할 솔루션으로는 오븐, 테스트 랙, 계측기, 소프트웨어를 비롯한 모든 구성 요소가 포함된 전용 턴키 시스템의 구매가 있습니다. 테스트 요구 사항을 디바이스의 성능과 일치시키면 개발 및 통합 시간이 절약되지만 엄청난 투자가 필요합니다. 이러한 시스템은 고정된 채널 수, 하드웨어 스펙, 소프트웨어로 구축되며 공급업체에서 직접 공급하는 경우가 많습니다. 시스템 공급업체는 웨이퍼 및 신뢰성 시스템 패키지에 사용할 수 있는 별도의 시스템을 판매하거나, 테스트 요구 사항의 차이에 관계없이 두 어플리케이션에 동일한 시스템을 판매할 수 있습니다. 

 

기존 WLR 시스템의 문제

랙앤스택 시스템은 기존 박스형 SMU의 낮은 채널 밀도라는 한계를 가지고 있다

전용 시스템을 구매하거나 박스형 계측기를 기반으로 랙앤스택 시스템을 구축하는 기존의 WLR 접근 방식은 수십 년간 소기의 목적을 달성해왔습니다. 그러나 다수의 엔지니어들은 이러한 아키텍처의 경우 새로운 채널 밀도 및 비용 요구 사항에 맞춰 확장할 수 없다는 사실을 인지하고 있습니다.

턴키 시스템은 디바이스 요구 사항의 변경에 따라 테스트 소프트웨어 또는 하드웨어를 변경하는 데 필요한 유연성을 갖추지 못했거나, 변경이 가능하더라도 감당할 수 없을 정도의 많은 비용이 듭니다.

랙앤스택 시스템은 기존 박스형 SMU의 낮은 채널 밀도라는 한계를 가지고 있습니다. 밀도가 낮으면 작은 공간에서 채널 수가 많은 시스템을 구축하기 어려우며, 엔지니어는 스위칭된 토폴로지를 사용하여 SMU를 멀티 핀에 멀티플렉싱해야 하는 경우가 많습니다. 그러나 핀이 병렬식이 아닌 직렬식으로 테스트되기 때문에 스위칭된 토폴로지가 쉽게 병목 구간을 형성하며, 결과적으로 일정한 스트레스와 모니터링을 요하는 고급 스트레스 알고리즘을 구현할 수 없게 됩니다. 

이러한 문제로 인해 많은 기업이 모듈식 계측기를 사용해 병렬 테스트 시스템을 구축하기 시작했습니다.

 

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웨이퍼 레벨 신뢰성(WLR) 테스트 시스템 구축을 위한 새로운 접근 방식

테스트 계측기 시장은 PXI 등의 모듈식 플랫폼이 등장하면서 지난 10년간 큰 변화를 겪었습니다. 모듈식 플랫폼은 확장형 I/O 기능, 컴팩트한 폼 팩터, 유연한 소프트웨어로 인해 자동화된 테스트 시스템 구축에 더욱 적합합니다.

그림 3. 업계 전문가들은 PXI가 앞으로도 모듈식 플랫폼 시장을 주도할 것으로 예상합니다.

 

모듈식 접근 방식을 사용하므로, 측정 품질을 희생하지 않고도 WLR 시스템의 공간을 크게 줄일 수 있습니다. 요구 사항의 변화에 맞추어 개방형 소프트웨어 아키텍처를 통해 시스템 기능을 정의하고, 테스트를 수정하고, 하드웨어를 추가할 수 있습니다. 여기에는 최신 멀티코어 프로세서의 통합, 상태 및 모니터링 툴을 통한 시스템 가동 시간 극대화, I/O 추가 등이 포함됩니다.

 

그림 4. 모듈식 PXI 플랫폼을 사용한 병렬 신뢰성 테스트 시스템

 

고밀도 SMU(Source Measure Unit)

PXI 기반의 SMU는 적절한 공간 및 채널당 비용을 유지하면서도 시스템에 수백 개의 채널을 추가할 수 있습니다.

PXI 기반의 SMU로 WLR 시스템을 구축하면 적절한 공간 및 채널당 비용을 유지하면서도 시스템에 수백 개의 SMU 채널을 추가할 수 있습니다. NI SMU는 자동 테스트 시스템의 구축에 맞춰 설계되었으며 모듈식 아키텍처를 사용해 수백 개의 채널 및 전체 시스템의 디바이스 스펙을 최적화할 수 있습니다. 채널 밀도가 높으므로 SMU와 웨이퍼 사이에 스위치를 배치할 필요 없이, 각각의 테스트 패드를 고정밀 디바이스에 직접 연결할 수 있습니다. "핀당 SMU" 아키텍처는 스위치가 신호 무결성, 테스트 시간, 테스트 루틴 유연성에 미치는 부정적인 영향을 방지함으로써 고급 스트레스 측정 알고리즘을 구현할 수 있게 해줍니다.   

그림 5. 병렬식 핀당 SMU 아키텍처는 멀티플렉스 아키텍처보다 테스트 시간이 절약됩니다.

 

WLR 시스템에서 핀당 SMU 아키텍처가 완전히 새로운 개념은 아니지만, NI SMU는 기존 솔루션보다 훨씬 더 많은 수의 채널을 제공합니다. NI PXI, SMU 기반의 WLR 시스템에는 다음과 같은 특징이 있습니다.

  1. 고밀도―하나의 4U, 19인치 PXI 섀시에 최대 68개의 SMU 채널을 구성하고 여러 개의 섀시를 단일 자동 테스트 랙에 장착하여 시스템당 수백 개의 개별 SMU 채널을 구축할 수 있습니다.
  2. 고정밀 측정―10 fA ~ 10 pA 범위의 측정 민감도로 시스템의 측정 품질이 저하되지 않습니다.
  3. 고속 시퀀싱 엔진―대형 하드웨어 타임 시퀀스를 시스템의 SMU로 스트리밍하고 모든 채널에서 동기화할 수 있습니다. 따라서 실행 속도가 매우 빠르고 소싱과 샘플링의 결정성이 뛰어납니다.
  4. 내장형 디지타이저―600 kS/s 이상의 샘플 속도를 통해, 외부 오실로스코프 없이도 디바이스의 과도 회복 동작을 수집할 수 있습니다.

사용자들이 NI SMU로 전환하는 이유 알아보기

 

높은 가동 시간 및 사용성

시스템 가동 시간의 보장은 인라인 및 오프라인 신뢰성 시스템에 모두 매우 중요한 부분입니다. 인라인 시스템에 오류가 발생하면 웨이퍼 생산이 중단될 수 있습니다. 제품의 예상 수명과 관련하여 중요한 데이터를 제공하는 오프라인 신뢰성 테스트는 몇 개월 또는 몇 년 에 걸쳐 수행하는 경우가 많습니다. 이러한 요구 사항으로 인해 테스터에 오류가 발생하면 실험의 실패로 이어질 수 있으므로, 신뢰성 테스터는 항시 온라인 상태를 유지하고 실험 전체 과정에서 데이터를 지속적으로 수집해야 합니다.

 

그림 6. 중복 팬 및 전원공급장치를 갖춘 높은 가동 시간의 PXI 섀시

 

PXI 플랫폼은 가동 시간이 긴 주요 어플리케이션 개발 과정에서 수많은 이점을 제공합니다. 예를 들어 핫스와핑이 가능한 중복 팬과 전원공급장치를 갖춘 섀시를 사용해 시스템을 구축할 수 있습니다. 부품 하나가 고장 나더라도 시스템은 계속 가동되고, 시스템 전원을 끄거나 실험을 강제 종료할 필요 없이 해당 부품을 교체할 수 있습니다. 또한 실패 가능성을 나타낼 수 있는 팬 속도, 온도, 전력 소비량, 기타 주요 파라미터 등의 시스템 상태를 원격으로 모니터링할 수 있습니다.

PXI가 시스템 신뢰성, 가용성, 사용성, 관리성을 개선하는 방식 알아보기

 

최신 상용 프로세서 사용 가능

병렬 테스트 시스템은 프로세싱 기능의 부족이나 통신 지연으로 인한 병목 현상이 없습니다. PXI로 병렬 WLR 시스템을 구축하면 최신 Intel 멀티코어 프로세서가 장착된 컨트롤러를 사용할 수 있다는 장점이 있습니다. 또한 섀시 백플레인을 통해 프로세서와 모듈 간 저지연 통신이 가능하며 디지털 트리거로 모듈 간 통신 역시 가능합니다. 병렬 WLR 시스템을 사용하면 세부 시퀀스 실행을 각 SMU에 오프로드하여 컨트롤러를 데이터 수집 및 분석 작업에 집중할 수 있습니다.

그림 7. 최신 상용 프로세서를 사용할 수 있는 PXI 기반의 테스트 시스템

 

멀티코어 프로세서를 통한 테스트 시스템 성능 향상

 

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PXI: 경쟁 우위

기존의 신뢰성 시스템은 수십 년간 소기의 목적을 달성해왔으나, 성능상의 문제로 대량의 신뢰성 데이터를 제공 및 분석하기가 점점 어려워지고 있습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 수많은 기업이 PXI와 같은 모듈식 플랫폼으로 전환하여 높은 가동 시간과 최신 상용 프로세서를 탑재한 고도의 병렬 WLR 시스템을 구축하고 있습니다. 이러한 시스템의 소프트웨어 정의 아키텍처를 통해 기업은 지적 자산을 효율적으로 관리하고 요구 사항의 변화에 따라 시스템을 확장할 수 있습니다. 이와 같은 접근 방식은 보다 저렴한 비용으로 더욱 많은 신뢰성 데이터를 확보하고, 앞으로도 끊임없이 변화할 테스트 요구 사항에 부응하기에 적합합니다.         

 

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