반도체 파라메트릭 테스트

  Read in   |   Print Print

"이제 imec은 인팹(In-fab) ATE를 사용하여 이전에는 불가능했거나 높은 웨이퍼 카운트 비용을 초래했던 반도체 공정 실험을 실시할 수 있게 되었습니다. 이런 새로운 실험을 실시하는 것은 독립 연구 기관으로서 당사가 반도체 산업을 위한 차세대 공정 기술을 개발하는 데 필요한 귀중한 통찰을 제공합니다."

- Bart De Wachter, Researcher at imec, Semiconductor Technology and Systems Group

The Challenge:
NI의 차세대 반도체 기술에 대한 파라메트릭(Parametric) 테스트를 통해 반도체 공정 흐름을 훨씬 신속하게 조정할 수 있습니다.

적절한 시점에 웨이퍼를 재작업하여 수율 저하를 관리하고, R&D 공정 흐름을 최적화하며, 비용을 절감하고, 최신 칩 제조 기술의 출시 시간을 단축시킬 수 있도록 반도체 R&D 제조(팹) 공정 흐름에서 정확한 전기적 웨이퍼 레벨 테스트를 수행하여 공정 관련 문제를 조기에 발견함.

The Solution:
PXI 플랫폼과 새로운 PXIe-4135 SMU를 사용하여 웨이퍼 팹 내부에서 사용할 측정 시스템을 개발하고 LabVIEW로 이 설비를 프로그래밍함으로써 모든 웨이퍼를 내부에 보유하고, 테스트하며, 결과를 처리하고, 반도체 공정 흐름을 훨씬 신속하게 조정할 수 있습니다.

Author(s):
Bart De Wachter - Researcher at imec, Semiconductor Technology and Systems Group

소개

Imec은 나노 기술을 선도하는 유럽의 독립 연구 센터입니다. 당사는 도구 및 자재 공급업체에서부터 통합 디바이스 제조업체 및 파운드리, 팹리스 및 팹 라이트(제조 최소화) 회사는 물론 어플리케이션 파트너에 이르기까지 반도체 업계의 모든 계층의 주요 기업들을 연결시킵니다.

선도적인 도구 및 자재 공급업체들과의 긴밀한 파트너십 덕분에 첨단 반도체 공정 개발을 수행하고, 최첨단 300mm 웨이퍼 팹/청정실 내부에 설비된 업계에서 가장 발전된 연구 인프라를 파트너들에게 제공할 수 있습니다.

당사의 첨단 반도체 기술 및 공정 R&D는 차세대 로직 디바이스 및 첨단 나노 인터커넥트 연구를 비롯하여 이종(heterogeneous)의 3D 적층 IC 시스템 통합에 이르기까지 다양한 주제들을 다루며, 미래의 저전력 모바일 어플리케이션을 위한 길을 열고 있습니다.


그림 1. 최첨단 300mm 웨이퍼 팹 내부

 

팹 공정 흐름의 문제점

당사는 공정 흐름이라고 하는, 빈 실리콘 웨이퍼에서 시작하여 전기적 기능 칩으로 끝나는 수백 개의 전용 공정 단계를 순차적으로 실행하여 웨이퍼/칩을 제조합니다. 그러나 R&D 환경의 특성과 개별 공정 단계의 복잡성을 감안할 때 전체 공정 흐름 중에 결함이 발생하여 기능 디바이스의 상당한 수율 저하를 초래할 수 있습니다.

공정 흐름(팹 내부에 물리적으로 수용됨)의 초기 단계에서 수행되는 웨이퍼의 개별 칩/디바이스에 대한 전기적 테스트는 온칩 디바이스 성능(트랜지스터, 인터커넥트, 회로 등)에 대한 조기 피드백과 반도체 공정에 대한 조기 모니터링을 가능하게 합니다. 그러나 인라인 전기적 테스트 설비가 없었으므로 당사는 공정 흐름의 중요한 지점에서 피드백을 얻지 못했습니다. 이 때문에 공정이 완료되지 않은 단계에서 기존의 파라메트릭적 테스터에서 테스트하기 위해 웨이퍼를 팹 밖으로 가져 나가야 했습니다. 팹 외부로 가지고 나간 웨이퍼는 오염 문제가 있어서 추가 공정을 위해 복귀시킬 수 없었습니다. 이 때문에 당사는 상당한 웨이퍼 손실과 학습 주기 및 프로젝트 산출물에서의 긴 지연을 경험했습니다.

당사의 R&D 테스트 칩 장비는 수천 개의 개별 트랜지스터, 레지스터, 커패시터 등으로 구성되었으며, 이것들은 매우 다양한 치수와 아키텍처를 갖고 있습니다. 또한 작은 데모 회로도 있을 수 있습니다. 특정한 반도체 제조 공정을 정확하게 특성 정의하기 위해 당사는 이런 모든 디바이스를 테스트해야 합니다.

이런 사항을 모두 고려하여 당사는 하루 24시간 테스트를 처리할 수 있는 인팹 반도체 자동 테스트 장비(ATE)가 R&D 프로젝트 산출물을 크게 신속화하고 간접비를 줄일 수 있을 것으로 생각했습니다. 웨이퍼 팹에 유효한 전기적 테스트 솔루션이 없었기 때문에 당사는 다양한 산업 제휴 프로그램을 지원하기 위해 신속하고 정확하게 테스트를 수행할 수 있는 다용도 설비를 찾기 시작했습니다. 이 설비는 파라메트릭 및 기능적 IC 테스트를 위한 모든 테스트 요구 사항을 충족해야 했으며, 미래의 반도체 공정 기술에 대한 새로운 테스트를 위해 설비를 쉽게 확장할 수 있어야 했습니다.

그림 2. 반도체 제조 공정 프로세스

 

처리량이 높고 고도로 정확한 인팹 ATE 설비 구현

과거에는 팹 외부의 대형 파라메트릭적 테스터에서 이런 테스트를 실시했습니다. 테스터들은 잘 작동했지만 테스트가 팹 외부에서 이루어졌기 때문에 웨이퍼 양의 2배를 생산해야 했습니다. 당사는 팹 내부에 두기 위한 세트를 하나 생산하고, 팹 외부에서 테스트할 세트를 하나 더 만들어야 했습니다. 시간 소모적인 이 접근법은 테스트된 배치에서 얻은 교훈을 나머지 공정 단계 중에 현재 팹 내부에 있는 웨이퍼에 적용해야 한다는 것을 의미했습니다.

당사는 이런 간접비를 줄이고 대체 솔루션을 찾고자 했습니다. 또한 좋은 하드웨어 및 소프트웨어 서비스 지원을 제공할 업체를 선택하고자 했습니다. 당사는 시장에 나와 있는 테스터들이 파라메트릭 테스트 또는 기능 테스트 중 하나에 집중하지만 둘 모두를 제공하지는 않는다는 사실을 곧 알게 되었습니다. 또한 그 테스터들은 대개 프로그래밍에 시간이 많이 걸리고, 고정된 패키지로 제공되며, 비용이 많이 들었습니다.

당사는 연구소에서 NI PXI 플랫폼을 사용하여 종합 테스트, 검증 및 측정 작업을 수행하고, NI와 좋은 관계를 유지하고 있습니다. 필요 시 NI가 하드웨어 및 소프트웨어 서비스 지원을 제공할 수 있음을 알고 있었습니다. NI가 매우 정확한 차세대 소스 측정 장치(SMU)를 개발하고 있다는 것을 알게 된 후 비용 효율적인 시스템을 개발하고 인팹 측정 역량을 향상시킬 수 있는 기회를 발견했습니다.

NI의 로드맵을 확인한 당사는 NI를 신기술의 얼리 어답터로 활용하기로 했습니다. 당사는 PXIe-4135 및 PXI 플랫폼을 사용하여 하루 24시간 가동할 수 있는 인팹 ATE 시스템을 구축함으로써 프로젝트 일정을 대폭 단축하고 웨이퍼 낭비를 막는 데 도움을 받았습니다.

당사는 무인 상태로 작동할 수 있는 자동 웨이퍼 핸들링 시스템이 설비된 프로브 스테이션을 사용했습니다. 맞춤형 프로브 카드가 개발되었으며, 모든 웨이퍼 프로빙 구성 요소들이 PXI 시스템과 타사의 저누설 스위치 매트릭스가 장착된 19" 랙에 연결되어 4개의 PXIe-4135 디바이스의 사양을 유지합니다. 또한 PXI-4072 DMM, 4개의 PXI-6551 디지털 모듈, PXI-5142 디지타이저 및 PXI-6259 M 시리즈 모듈을 트리거 신호 생산에 사용했습니다.

PXIe-4135의 3축 케이블은 전체 설비에서 저누설 레벨을 유지하는 데 중요했습니다. 그림 3과 그림 4는 최종 설비의 블록 다이어그램과 신호 라우팅 다이어그램을 보여줍니다. 그림 5와 그림 6은 당사 웨이퍼 팹의 실제 설비를 보여줍니다.


그림 3. imec의 인팹 완전 자동화 웨이퍼 테스트 설비의 블록 다이어그램


그림 4. Imec의 인팹 완전 자동화 웨이퍼 테스트 설비의 신호 라우팅 다이어그램



그림 5. 팹 내부에서 LabVIEW GUI 및 PXI 플랫폼에 의해 구동되는 셋업

그림 6. 모든 IV 및 CV 파라메트릭 테스트의 핵심인 PXIe-4135 SMU


LabVIEW를 이용한 설비 프로그래밍 및 초기 결과 획득

당사는 공정 모니터 구조물에 대한 측정을 위해 PXI 모듈형 계측기를 사용하여 인팹 ATE에 LabVIEW 파라메트릭 테스트 루틴 라이브러리를 개발, 구현 및 벤치마크했습니다. 또한 공정 흐름의 여러 단계에서 완전히 자동화된 무인 웨이퍼 테스트를 위해 맞춤화된 LabVIEW 테스트 시퀀스를 구현했습니다. 이 시퀀스들은 NI 계측, 스위치, 프로브 스테이션 및 자동 로더를 제어하고 동기화합니다. 당사는 LabVIEW를 사용하여 모든 데이터를 imec 데이터 웨어하우스 호환 형식으로 기록하고 전기 데이터를 다른 인라인 (광학) 계측 데이터와 조합하여 심층적 공정 분석을 실시했습니다.

일반적인 SMU-트랜지스터 연결 방식은 4개의 PXIe-4135 SMU를 게이트, 드레인, 벌크 및 소스 터미널(그림 7)에 적용하고, 스위치 매트릭스를 통해 개별적인 힘 및 감지 연결부를 사용하여 기생 요소들을 배제하는 것으로 구성됩니다. 당사는 상태(on-state/off-state) 전류 측정, 스윕 측정, 임계 전압 추출 절차 등을 포함하여 웨이퍼에 대한 완전한 LabVIEW 트랜지스터 테스트 패키지를 제안하고, 이에 더하여 모든 결과를 고성능의 타사 계측 장비와 벤치마크했습니다. 그림 8은 IV 및 CV 측정에서 PXIe-4135 SMU가 타사의 고성능 계측 장비와 동등하다는 것을 보여줍니다.

그림 7. 4개의 PXIe-4135 SMU를 사용하는 전형적인 SMU-트랜지스터 결선도

그림 8. PXIe-4135 SMU가 타사의 고성능 계측 장비와 동등함을 보여주는 벤치 마크 결과

 

PXIe-4135 및 PXI 플랫폼이 당사의 팹 작업에 가져다주는 효과

이제 당사는 인팹 ATE를 사용하여 이전에는 불가능했거나 높은 웨이퍼 카운트 비용을 초래했던 실험을 실시할 수 있습니다. 이런 새로운 실험을 실시하는 것은 독립 연구 기관으로서 당사가 반도체 산업을 위한 차세대 공정 기술을 개발하는 데 필요한 귀중한 통찰을 제공합니다. 이런 실험들 중 하나에서 개선된 인상적인 사항을 공유할 수 있습니다.

그림 9. 초기 결과

 

당사가 개발한 ATE 설비는 imec의 첨단 반도체 공정을 모니터링하는 데 필수적인 도구가 되었습니다. 전기 테스트를 위해 들어오는 모든 웨이퍼는 테스트 후에 가공을 재개할 수 있습니다. 더 이상 웨이퍼를 팹 밖으로 가지고 나갈 필요가 없습니다. 그러므로 각 산업 제휴 프로그램마다 1년에 수십 개의 웨이퍼를 절감할 수 있습니다. 학습 주기도 크게 단축되어 프로젝트를 더 빨리 끝내고 동일한 시간에 더 많은 연구를 수행할 수 있습니다.

임베디드 전기 테스트에 이은 빠른 데이터 분석을 통해 공정 조건이 기술 규격을 벗어나서 조정할 필요가 있음이 확인될 때마다 웨이퍼를 공정 흐름에서 하나 이상의 단계로 후퇴시켜서 업데이트된 공정 조건으로 완벽하게 재작업할 수 있습니다. 다시 테스트하고 가공을 계속하거나 재작업/테스트 주기를 여러 차례 반복할 수 있습니다. 이로써 당사는 실험/불량 가공으로 인한 웨이퍼 손실을 크게 줄일 수 있었습니다.

당사의 공정 통합 엔지니어들 중 한 명은 이렇게 말한다. "인라인 전기적 테스트는 우리가 유효한 공정 조건을 확보했음을 입증하는 유일한 방법이 되었습니다. 학습 주기에서 최대 1개월의 지연이 발생할 수 있으므로 웨이퍼 공정이 완료될 때까지 테스트를 미룰 수 없습니다. 인라인 전기 측정은 웨이퍼 제조 공정의 초기 단계, 패턴화, 금속 배선 및 평탄화 단계에서 발생하는 많은 공정 관련 문제를 포착할 수 있습니다."

 

결론 및 향후 계획

PXIe-4135는 고정밀 SMU로 입증되었으며, 정전 용량-전압(Capacitance-Voltage) 측정 장치로도 사용할 수 있어서 계측기 및 테스트 채널의 확장 비용을 절감합니다.

인라인 테스트에 대한 수요는 지난 몇 개월 동안 크게 증가했으며 앞으로 계속될 것입니다. 테스트 처리량을 높이고 전체적인 테스트 시간을 줄이는 것이 우리의 과제 중 하나입니다. 웨이퍼 팹 주기 시간은 매우 중요합니다.

이런 문제들을 해결하기 위해 당사는 LabVIEW 파라메트릭 테스트 절차 라이브러리를 개선 및 확장하고 더 높은 수준의 자동화, 작업자 친화적 사용 및 쉬운 데이터 처리에 관하여 TestStand 소프트웨어를 평가할 계획입니다.

그림 10. 설비에서 작업 중인 팹 작업자

Author Information:
Bart De Wachter
Researcher at imec, Semiconductor Technology and Systems Group
Kapeldreef 75
Leuven B-3001
Belgium
Tel: +32 16 28 81 04
bart.dewachter@imec.be

Bookmark and Share


Explore the NI Developer Community

Discover and collaborate on the latest example code and tutorials with a worldwide community of engineers and scientists.

‌Check‌ out‌ the‌ NI‌ Community


Who is National Instruments?

National Instruments provides a graphical system design platform for test, control, and embedded design applications that is transforming the way engineers and scientists design, prototype, and deploy systems.

‌Learn‌ more‌ about‌ NI