불량 디바이스 검출 효율을 높이는 혁신적인 저전압 테스트 기법
글/피터 사슨(Peter Sarson), 안드레아 와일드(Andreas Wild), ams
사례
비휘발성 메모리(NVM)가 내장된 디바이스를 생산하던 중 백만 개당 서너 개에 해당하는 제품(ppm)이 영하 온도에서 메모리 회복에 실패되는 문제가 발견 되었다. 이 제품은 자동차용 부품이었기 때문에 신뢰성이 가장 중요한 요소였다.
생산 과정에서 이들 디바이스는 맨 처음 2.2V의 최소 공급 전압에서 테스트되었으며 35℃에서 몇몇 ppm 불량이 확인됐다. 신뢰성이 관건인 자동차용 부품인 만큼 디바이스들을 스크리닝해서 불량 부품이 출하되지 않도록 해야 했다.
당연히, 1차로 이들 제품에 대한 영하 온도에서의 스크리닝을 수행했다. 이 과정에서 문제 부품에 대한 스크리닝이 즉각적인 성과를 나타냈다(그림 1 참조).
다음으로 몇 개의 로트(Lot)를 실행한 이후, 고객으로부터 자사 생산 라인에서 부품 불량률과 관련해 심각한 문제가 발생했다는 보고가 전해졌다.
실험을 통해 우리는 전압을 2.0V로 떨어뜨리자 35℃에서는 나타나지 않았던 공정 문제를 발견할 수 있었다. 레티클(reticle) 문제는 그림 2에서 볼 수 있다.
우리는 전압을 낮추면 부품에 스트레스를 주게 되고, 그 결과 통상 상온에서는 보이지 않던 불량이 영하 온도에서는 나타난다는 사실을 발견했다. 이제 의문점은 “왜 그럴까?”가 되었다.
문제의 NVM 셀은 산화막 파괴(oxide breakdown) 기술이 적용되었다. 따라서 예컨대 퓨즈를 1로 프로그래밍하면 산화막을 파괴하여 단락을 초래하거나, 파손되지 않은 셀보다 100배 높은 누설 전류를 발생시킨다. 하지만 퓨즈가 잘못 파손되거나 불완전한 산화막 파괴가 발생할 경우, 단락은 마치 저항 브리지에 가까운 기능을 하게 되어 파손되지 않은 퓨즈보다 고작 10배 높은 누설 전류를 발생하게 된다. 상온에서는 이런 차이가 여전히 검출이 가능하므로, 1을 표준 공급 전압일 때 파괴된 퓨즈로 볼 수 있다. 그러나 온도를 -40℃로 떨어뜨리면 파손된 셀의 누설 전류가 감소한다. 따라서 만약 산화막이 완전히 파괴되지 않는다면 이는 퓨즈가 끊어지지 않은 것으로 간주할 수 있고, 그 결과 비트가 1에서 0으로 플립하는 것을 볼 수 있다.
그러므로 프로그래밍되지 않은 상태인 그림 3에 보이는 기호를 사용하면, 이것은 개방을 의미하는 대신 불완전한 파괴에 의해 하나의 저항이 될 수 있다.
이 경우 생산은 별다른 큰 문제 없이 잘 진행되었지만, 일부 로트에서 수율이 떨어지는 문제가 나타났다. 그림 4는 낮은 수율의 웨이퍼를 나타낸 것이다.
이제는 “수율이냐 신뢰성이냐?”로 문제가 바뀌었다. 어느 쪽이 옳은지 어떻게 증명할 수 있을까? 이 사례에서 우리는 영하의 온도에서 불량 소자를 잡아낼 수 있는 검증된 공정과 몇가지 다른 동작전압을 적용하여 불량을 가장 많이 검출하며 불량 유출을 최소화할 수 있고, 나아가 영하의 온도에서 스크린방법(선별)과도 상관관계가 맞는 동작특성(전압)을 찾아낼 수 있다.
수율에 큰 문제가 없는 양호한 웨이퍼의 경우 1.8V에서 우수한 상관관계를 보였다.
그러나 우리가 불량 로트로 작업했을 때 35℃ 수율에서는 -40℃에서 발견된 불량보다 더 많은 불량이 발견됐다. 수율 리스크 때문에, 우리는 우수한 신뢰성을 보장할 수있는 가장 가까운 인접 값을 추출해 내야했다. 일종의 더블 필터링 효과를 위해서였는데, 이 때문에 우리는 의심되는 가장 가까운 인접 다이의 불량을 검사할 필요가 있었다.
의심되는 이들 불량 다이를 취한 후 신뢰성을 위한 시험과 검사를 실시했다. 이들 다이는 실제로 불량 부품임이 판명되었으며, 이 과정에서 전자 잉크(그림 10) 작업이 유용하게 활용됐다. 우리는 이제 저전압 테스트로 이러한 불량 부품을 찾아낼 수 있는 연관성 있고 입증된 방법을 갖게 되었다. 이는 모든 불량 소자를 걸러내기 위한 신뢰할 수 있는 방법을 제공한다...(중략)
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