반도체 고장 분석은 반도체 소자가 소비자 사용 중에 왜 고장 나는지 이해하는 데 매우 중요한 부분입니다. 그래야만 제조업체가 향후 동일한 고장이 재발하지 않도록 이러한 기기의 설계를 개선하는 방법을 배울 수 있습니다. 기기가 어떻게 고장 났는지 파악하기 위해 과학자들은 간단한 전기 시험부터 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope)과 같은 매우 정교한 장비에 이르기까지 다양한 기법을 활용합니다.
각 고장 분석 방법은 서로 다른 고장 메커니즘에 초점을 맞추어 고장으로 이어진 근본 원인을 찾아냅니다. 이러한 지식을 통해 반도체 업계의 선도적인 제조업체들은 설계와 생산 공정을 개선할 수 있습니다. 이러한 고장 분석 기법들이 무엇인지, 그리고 이들이 어떻게 고장 원인을 파악하는 데 도움이 되는지 계속해서 알아보겠습니다.
반도체 고장 분석이란
휴대폰, 노트북, 스마트 기기와 같은 현대 전자 기기는 함께 작동하는 수많은 반도체 소자 또는 집적 회로(IC)로 구성되어 있습니다. 작동 중에는 시스템 자체에서 발생하는 다양한 내부 요인과 운영 환경에서 오는 외부 요인의 영향을 받습니다. 소비자의 손에서 기기가 고장 나면, 1차 문제 해결은 어떤 부품이나 모듈을 교체해야 수리할 수 있는지 파악하려는 기술자들에 의해 이루어집니다.
이후 고장 난 부품은 실험실로 보내지며, 훈련받은 고장 분석 전문가가 여러 단계를 거쳐 집적 회로상에서 가장 작은 수준까지 문제를 더욱 좁혀나갑니다. 이 과정을 반도체 고장 분석이라고 하며, 고장의 원인을 이해하고 향후 이를 방지하기 위해 무엇을 할 수 있는지 파악하는 데 반드시 필요합니다.
반도체 고장 분석 용어
반도체 고장 분석에서 올바른 용어를 이해하는 것이 중요합니다. 먼저, 기기의 고장이 정확히 무엇으로 구성되는지에 대해 받아들여진 정의가 있어야 합니다. 기기가 전기적 및/또는 기계적 사양을 충족하지 못하면, 이를 기기 고장이라고 합니다. 전기적 고장의 경우 이는 두 가지 방식으로 발생할 수 있습니다.
기능적 고장
기기가 의도된 기능을 수행할 수 없을 때, 이를 기능적 고장이라고 합니다.
파라메트릭 고장
때로는 기기가 기능적으로 작동하고 의도한 대로 성능을 발휘할 수 있는 상태일 수도 있습니다. 그러나 누설 전류와 같이 측정 가능한 하나 이상의 특성에 대한 전기적 사양을 충족하지 못할 수 있습니다. 이러한 유형의 고장을 파라메트릭 고장이라고 합니다.
고장 모드
고장 모드는 기기가 어떻게 고장 나고 있는지를 설명합니다. 이는 작동 중 기기가 사양에서 얼마나 벗어나고 있는지를 나타냄으로써 파악할 수 있습니다. 과도한 공급 전류나 전압이 좋은 예입니다.
고장 메커니즘
이는 금속의 부식이나 정전기 방전과 같이 부품의 고장으로 이어진 물리적 조건을 설명합니다.
근본 원인
이것이 가장 중요하며, 애초에 반도체 고장 분석이 수행되는 목적입니다. 근본 원인은 고장 메커니즘을 촉발하는 요인입니다. 정전기 방전의 경우, 이는 부적절한 접지 때문일 수 있습니다. 이를 더 거슬러 올라가 보면, 접지 문제는 웨이퍼 처리 단계에서 잘못된 마스크를 사용했기 때문에 발생했을 수도 있습니다. 문제의 근본을 파악하고 나면, 제조업체는 이러한 문제가 재발하지 않도록 예방 조치를 취할 수 있습니다.
반도체 고장 분석 공정
고장 검증은 고장 분석의 첫 단계입니다. 이 단계는 비용과 시간이 많이 소요될 수 있는 고장 분석에 귀중한 자원을 낭비하지 않기 위해 반드시 필요합니다. 이후에는 비파괴 기법을 먼저 수행하고, 그다음 파괴 기법을 수행하는 단계별 프로세스가 진행됩니다. 이러한 기법들이 무엇인지 살펴보겠습니다.
비파괴 반도체 고장 분석 기법
샘플에 돌이킬 수 없는 변화를 일으킬 수 있는 고장 분석 방법을 파괴적이라고 합니다. 이러한 방법은 당연한 이유로 비파괴 방법이 완료된 후에만 수행됩니다.
전기적 고장 분석
전기적 고장 분석의 이 첫 번째 단계에서, 실험실 기술자들은 고장 난 기기에 여러 전기 시험을 실시합니다. 첫 번째 이유는 반도체 소자가 실제로 결함이 있는지 검증하기 위함입니다. 두 번째 이유는 고장 모드를 파악하는 것으로, 이는 분석가들이 다음 논리적 단계로 나아가도록 안내하여 전체 고장 분석 과정을 더욱 효율적으로 만들 수 있습니다.
전기적 고장 분석에는 작동 중인 기기의 파라미터와 사양을 비교하는 과정이 포함됩니다. 어떤 편차든 고장 모드를 가리킬 수 있으며, 반도체 소자는 서로 다른 온도에서 시험됩니다. 물론 고장이 너무 큰 손상을 일으켰거나 시험 시 기기가 계속 작동하는 경우에는 검증이 어려운 경우도 있습니다.
반도체 소자의 검증은 특별히 설계된 파라미터 분석기와 자동 시험 장비(ATE)를 사용하여 수행할 수 있습니다. 이러한 유형의 장비에는 멀티미터, 오실로스코프, 주파수 계수기, 커브 트레이서, 전원 공급 장치 등이 포함됩니다. 이들은 각 파라미터에 대한 데이터 로그를 제공하여 분석가가 문제를 더 쉽게 파악할 수 있게 해줍니다.
분석가는 회로 기판에서 부품을 제거하는 과정에서 2차 손상을 방지하기 위해 이 과정에서 주의를 기울여야 합니다. 부품은 또한 신중하게 다루어야 하며, 실험실 기술자는 정전기 방전을 피하기 위한 필요한 예방 조치를 인지하고 있어야 합니다.
광학 현미경
이 단계에서는 애초에 매우 작은 고장 난 반도체 소자를 육안으로는 불가능한 더 높은 배율로 검사하기 위해 현미경 아래에 놓습니다. 배율은 5배 정도의 저배율 현미경부터 최대 1000배까지 확대할 수 있는 고배율 현미경까지 다양합니다. 확대된 이미지는 흔히 카메라로 촬영되어 컴퓨터 모니터에 표시됩니다.
현미경에는 명시야(brightfield), 암시야(darkfield), 간섭 대비(interference contrast)와 같은 다양한 조명 모드가 있습니다. 각 모드는 특정 특징을 다른 것보다 더 쉽게 관찰할 수 있게 해줍니다. 명시야는 샘플 표면의 지형을 관찰하는 데 탁월하며, 암시야는 스크래치나 오염물과 같은 세부 사항을 드러냅니다. 간섭 대비 모드는 식각 구멍이나 균열과 같은 결함을 더 잘 보이게 합니다.
리드 사이에 위치한 표면의 오염물은 단락을 일으킬 수 있습니다. 광학 현미경으로 발견할 수 있는 다른 문제로는 파손된 유전체, 용접 이음매의 균열, 화학적 손상의 흔적, 유리-금속 밀봉부의 균열 등이 있습니다.
X선 현미경
X선 현미경은 반도체 소자의 내부를 검사하기 위한 훌륭한 비파괴 방법입니다. 기기를 구성하는 서로 다른 소재는 X선을 각기 다른 방식으로 투과시켜, 이러한 부품들을 쉽게 구별할 수 있는 다양한 명암의 이미지를 만들어냅니다. 내부의 개방 회로나 단락, 봉입된 오염물, 공극, 균열, 정렬 문제 등을 확인할 수 있습니다. 반면 알루미늄 와이어는 X선에 보이지 않습니다.
이 장비를 조작하려면 숙련된 인력이 필요하지만, 더 발전된 모델의 X선 현미경은 자동화된 샘플 취급 및 기타 다양한 개선 기능을 제공할 수 있습니다. X선 이미지가 분석가들에게 반도체 소자가 어떻게 조립되어 있는지 이해할 수 있는 방법을 제공함으로써, 고장 분석의 다음 단계인 추가 분해 계획을 세우기가 더 쉬워집니다.
주사 음향 현미경
주사 음향 현미경(SAM)은 기기를 통과하는 초음파를 사용하여 결함이 무엇인지 파악합니다. 일부 SAM은 샘플에서 되돌아오는 메아리를 해석하는 방식으로 이를 수행하며, 다른 SAM은 샘플의 반대쪽 끝에서 나오는 음파를 검사합니다. 이 고장 분석 기법에서는 5~150MHz 주파수 대역의 음파가 사용됩니다.
주사 음향 현미경은 X선 현미경으로는 확인할 수 없는 반도체 소자의 디본딩(debonding) 및 박리(delamination)와 같은 문제를 드러낼 수 있습니다. SAM은 계면의 고장 분석에 탁월하며, 성형 컴파운드의 공극이나 균열, 다이 접착 소재의 무결성, 와이어본드, 다이의 균열을 확인하는 데 사용될 수 있습니다. 다이란 기본적으로 그 위에 회로가 형성되는 작은 반도체 소재 블록입니다.
밀봉 누설 테스트
반도체 소자는 외부의 유체와 기체가 유입되는 것을 방지하기 위해 봉입됩니다. 이 밀봉부에 누설이 있으면 수분이 유입될 수 있으며, 이는 보호 도금이 없는 표면의 부식을 초래합니다. 수분 유입으로 인해 전기적 단락이나 파라메트릭 고장이 발생할 수도 있습니다.
반도체 소자에는 두 가지 유형의 밀봉 누설 테스트가 있습니다. 미세 누설 테스트는 작은 누설로 이어질 수 있는 미세한 손상이나 결함이 있는지 패키지를 검사하는 것을 포함합니다. 이는 일반적으로 헬륨 가스로 샘플을 가압한 뒤 검출기가 방출 가스를 확인하는 방식으로 이루어집니다. 대규모 누설 테스트는 샘플을 플루오로카본 액체에 담가 기포가 발생하는 징후를 관찰함으로써 봉입부의 대량 손상 여부를 확인합니다.
파괴적 반도체 고장 분석 기법
분석 대상 반도체 소자에 영구적인 손상을 일으키는 기법을 파괴적이라고 합니다. 이 손상은 전기적, 기계적, 또는 시각적인 것일 수 있습니다. 일부 기법은 화학적 조성까지 변경할 수 있습니다. 이 단계 이후에는 되돌릴 수 없으므로, 고장 분석을 실수로 손상시키지 않도록 모든 단계를 신중하게 계획해야 합니다.
집적 회로 개봉
모든 비파괴 방법을 다 시도한 후에는, 마침내 전자 부품을 열어 내부를 확인할 시간입니다. 여기서 목표는 고장 모드에 영향을 주지 않으면서 기기의 내부 구조를 검사하고 추가 분석할 수 있도록 노출시키는 것입니다. 기기를 개봉하는 방법에는 화학적 방법과 기계적 방법이 모두 있습니다.
기기가 밀봉되어 있었다면, 디리딩(de-lidding) 또는 디캡핑(decapping)이라는 기계적 공정이 사용됩니다. 세라믹 집적 회로의 상단과 하단에 반대 방향의 토크를 가함으로써 뚜껑을 제거할 수 있습니다. 금속 캔 타입의 기기라면 용접 부위를 절단하여 열 수 있습니다.
플라스틱으로 봉입된 IC의 경우, 디캡슐레이션(decapsulation)이라는 화학적 공정이 사용됩니다. 산을 패키지 표면에 적용하여 플라스틱 커버를 제거할 수 있으며, 이 목적으로 황산과 질산이 사용됩니다. 젯 에칭(Jet Etching)이라는 자동화된 공정은 산의 도포가 기계에 의해 제어되기 때문에 수작업 에칭보다 훨씬 더 나은 결과를 만들어냅니다.
내부 검사
앞서 언급한 광학 현미경을 사용하여 육안 검사를 수행할 수 있습니다. 또한 전자 현미경 및 오제 전자 분광법과 같은 다른 방법도 검사에 활용될 수 있습니다. 반도체 소자를 검사하는 데 사용되는 다양한 유형의 현미경에 대해 더 알고 싶으시다면, 반도체 현미경이 하는 일을 읽어보시기 바랍니다.
단면 절단
마이크로 섹셔닝(micro sectioning)이라고도 불리는 단면 절단은 광학 또는 전자 현미경을 통한 추가 분석을 위해 샘플의 단면을 노출시키는 것입니다. 당연히 이는 관심 있는 평면과 평행한 면을 따라 절단하는 것을 포함합니다. 이 단계에는 정밀 다이아몬드 톱이 사용되며, 이어서 연삭과 절삭을 통해 단면 표면에서 모든 스크래치가 제거되도록 합니다.
핫스팟 감지
핫스팟 감지는 마이크로 열화상법(micro thermography)이라고도 불리며, 비정상적인 발열을 나타내는 영역을 식별하는 것을 포함합니다. 이러한 ‘핫스팟’은 일반적으로 높은 전류 흐름의 결과이며, 누설 접합, 금속화 단락, 유전체 파열과 같은 결함으로 인해 발생합니다.
핫스팟 감지는 반도체 소자에 바이어스를 인가하는 동안 다이 표면에 액정을 도포하는 방식으로 수행할 수 있습니다. 결함이 있는 영역에 전류가 흐르면, 발생하는 열이 액정의 광학적 특성을 변화시키기 시작합니다. 이러한 변화는 편광 설정을 조정하여 광학 현미경을 통해 관찰할 수 있습니다. 또는 적외선 카메라를 사용하여 핫스팟을 찾을 수도 있습니다.
그러나 핫스팟이 존재한다고 해서 그 자체가 고장 지점을 나타내는 것은 아니며, 문제를 일으키는 이상 현상은 다른 곳에 위치해 있을 수도 있다는 점에 유의해야 합니다. 따라서 핫스팟 감지는 이러한 결과를 보완하기 위해 다른 유형의 고장 분석과 함께 수행되어야 합니다.
마이크로프로빙
마이크로프로빙은 다이 회로상의 관심 지점에 바늘을 정밀하게 조준하고 연결하여 전기적 접촉을 만드는 고장 분석 방식입니다. 접촉이 이루어지면 전기적 측정을 수행할 수 있습니다. 분석가는 필요에 따라 이러한 바늘을 정밀하게 정렬할 수 있는 마이크로프로빙 스테이션을 사용하며, IC의 개략도를 통해 프로빙을 위해 연결해야 할 노드를 파악할 수 있습니다.
다이 회로에 사용되는 문제 해결 방법은 풀사이즈 회로 기판을 시험하는 것과 다르지 않습니다. 이러한 노드에 접근하여 감지된 이상 전압과 전류는 문제 영역을 좁히는 데 도움이 될 수 있습니다. 결함이 있는 IC는 정상 작동하는 IC와 비교하여 고장이 발생했을 수 있는 노드를 파악할 수도 있습니다. 프로브 바늘을 노드에 정확히 정렬하려면 숙련된 기술이 필요하며, 잘못된 프로빙은 스크래치를 발생시켜 샘플을 영구적으로 손상시킬 수 있습니다.
주사전자현미경 및 투과전자현미경
주사전자현미경, 즉 SEM은 나노미터 규모로 샘플을 검사하는 데 사용될 수 있습니다. 샘플은 빛 대신 전자빔으로 조사되며, 반사된 전자가 검출되고 분석됩니다. 이렇게 검출된 신호를 이미지 처리함으로써 샘플 표면의 지형학적 3D 이미지를 얻을 수 있습니다. 다이의 물리적 결함, 접합 고장, 오염물, 균열, 와이어 파손, 밀봉 결함 등을 주사전자현미경을 통해 발견할 수 있습니다.
투과전자현미경, 즉 TEM은 샘플을 투과하는 전자를 사용하여 샘플 내부 구조의 2D 투영 이미지를 얻습니다. 이는 반도체 소자의 형태, 조성, 결정 구조를 밝혀낼 수 있습니다. TEM은 불순물의 존재를 감지하는 훌륭한 방법이며, SEM보다 훨씬 더 높은 공간 해상도를 제공합니다. 그러나 이러한 현미경은 작동에 더 많은 전력이 필요하고, 검사를 위한 샘플 준비 과정이 복잡합니다.
원소 분석
이는 EDXA, 즉 에너지 분산형 X선 분석(Energy-Dispersive X-ray Analysis)이라는 기법을 통해 이루어집니다. 이는 주사전자현미경을 사용하여 샘플에 전자를 쏘고, 이때 발생하는 X선에 존재하는 에너지의 양을 측정하는 방식입니다. 특정 에너지의 X선은 샘플에 존재하는 원소에 대응하므로, 이를 통해 원소를 식별할 수 있습니다. 이 EDXA 방법은 분석가가 샘플에 존재하는 오염물을 찾는 데 도움이 될 수 있습니다.
FTIR 분광법
EDXA는 샘플의 분자 구조에 대한 세부 정보를 얻기 위해 푸리에 변환 적외선(FTIR) 분광법으로 보완할 수 있습니다. 샘플에 존재하는 화학적 조성과 결합에 따라, 흡수하거나 반사할 수 있는 적외선의 양이 달라집니다.
FTIR 시험은 샘플을 적외선에 노출시킨 뒤 투과되거나 반사되는 적외선의 주파수를 검출함으로써 수행할 수 있습니다. 이러한 판독값은 그래프에 표시되며, 그 패턴을 알려진 소재의 특징적 패턴과 대조할 수 있습니다. FTIR 분광법은 샘플에 존재하는 극미량의 유기 오염물까지도 감지할 수 있습니다.
집속 이온 빔
이 고장 분석 방법은 주사전자현미경과 유사합니다. 집속 이온 빔은 전자빔 대신 갈륨 이온(Ga+)을 사용합니다. 이 이온빔이 샘플에 부딪히면 일부 샘플 물질이 떨어져 나옵니다. 이 물질은 원자, 이온, 또는 전자일 수 있으며, 분석 대상이 됩니다. 이 과정을 통해 표면의 고배율 확대 이미지를 얻을 수 있습니다.
확대만이 필요한 경우에는 저출력 빔이 사용됩니다. 더 강력한 빔을 사용하면 더 많은 표면 물질을 제거할 수 있어, 다이 표면 밀링이나 단면 절단 응용도 가능해집니다. 물질을 제거하는 이 과정을 스퍼터링이라고 하며, 샘플에 대한 더 깊은 검사가 필요한 추가 분석에 유용합니다.
오제 방출 분광법을 이용한 표면 분석
오제 방출 분광법(AES)은 오제 전자라는 특수한 유형의 전자를 사용하는, EDAX와 유사한 표면 분석 기법입니다. 뛰어난 해상도를 지닌 AES는 1마이크론 미만의 영역에 대한 조성 분석을 제공할 수 있습니다. 그 민감도가 매우 높아 샘플의 원자 조성 중 1% 미만을 차지하는 원소까지도 감지할 수 있습니다.
표면의 오염물과 매우 얇은 산화층은 AES를 통해 감지할 수 있습니다. 그러나 이온 스퍼터링을 통해 샘플 표면에 분화구를 만들 수 있어, 더 깊은 내부의 물질을 분석할 수 있게 됩니다. 래스터 스캐닝과 결합하면 샘플의 원소 분포를 매핑하여 3D 이미지를 생성할 수 있습니다. 이 기법을 주사 오제 현미경(Scanning Auger Microscopy, SAM)이라고 합니다.
고장 모드 및 고장 메커니즘 판별
여기서 다룬 고장 분석 방법 외에도, 반도체 업계는 고장 지점에서 발생하는 낮은 수준의 광자 방출을 감지하는 발광 현미경법(LEM), 샘플 표면의 국소적 특성을 측정하는 원자간력 현미경법, 그리고 주사전자현미경에서 발생하는 전자가 샘플에 부딪힐 때 유도되는 전류를 측정하는 전자빔 유도 전류(EBIC)와 같은 다른 기법들도 활용합니다.
다양한 시험은 서로의 결과를 뒷받침해야 하며, 불일치가 있는 경우 고장 분석 과정의 다음 단계로 넘어가기 전에 먼저 이를 해결해야 합니다. 새로운 판독값을 얻을 때마다 분석가는 예비 결론이 틀렸을 수도 있다는 점을 받아들일 준비가 되어 있어야 합니다. 제대로 수행된다면, 이러한 고장 분석 기법들은 종합적으로 고장의 실제 원인을 가리켜야 합니다. 이는 반도체 소자에서 고장이 발생한 위치를 찾는 데 도움이 되어야 합니다.
고장 모드, 메커니즘, 그리고 마지막으로 고장의 근본 원인을 판별한 후, 이러한 결과는 제조업체가 생산 공정을 완벽하게 개선하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이는 우리의 차세대 기술을 이끌어갈 전반적으로 더 나은 성능의 반도체 소자로 이어질 수 있습니다. 반도체 제조 및 고장 분석에 대해 더 알아보시려면 Inquivix Technologies를 확인해 보세요!
FAQ
집적 회로에서 다이란 무엇인가요?
다이는 실리콘과 같은 반도체 소재로 이루어진 블록이며, 집적 회로 부품은 이 위에 제조됩니다.
반도체 소자가 고장 나는 원인은 무엇인가요?
반도체 소자는 고온, 습도, 과도한 전류 또는 전압, 기계적 응력, 제조 결함, 오염 물질 등 여러 원인으로 고장 날 수 있습니다.
FA 엔지니어란 무엇인가요?
고장 분석 엔지니어 또는 고장 분석 전문가는 반도체 소자나 집적 회로의 고장 근본 원인을 판별하기 위해 다양한 기법을 사용하는 사람입니다.