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[청년발언대] 반도체 분야에서의 신뢰성의 중요성과 고장 메커니즘

 

【 청년일보 】 일상생활에서 접하는 모든 전자제품에는 반도체가 들어가 있다. 이처럼 우리와 밀접한 연관이 있는 반도체 분야에서는 반도체 소자나 반도체 칩 등의 다양한 특성을 만족시켜야 하기 때문에 신뢰성 특성을 정확하게 분석하는 것이 매우 중요하다. 여기서 신뢰성이란 일반적으로 제품이나 부품이 소비자가 사용하는 동안 고장 없이 얼마나 오랜 기간 안전하고 편리하게 사용할 수 있는가를 정량적인 수치로 나타내는 평가지표이다. 


일반적인 반도체 Chip은 수천만 개에서 수십억 개의 반도체 소자로 이루어져 있다. 수십억 개의 반도체 소자 중에 하나라도 사용 중에 고장이 난다면 반도체 Chip이 동작하지 않게 되며 해당 반도체 Chip을 사용한 시스템이 동작하지 않게 된다. 반도체 소자의 신뢰성 규격은 일반적인 제품이나 부품의 신뢰성 규격보다 훨씬 까다롭기 때문에 반도체 분야에서 신뢰성을 잘 아는 것이 더욱 중요하다.


반도체는 8대 공정이라 불리는 웨이퍼 제조 공정-산화 공정-포토 공정-식각 공정-증착, 이온주입 공정-금속배선공정-EDS 공정-패키징 공정을 통해 제조된다. 
반도체 고장메커니즘에는 크게 Hot Carrier, BTI(Bias Temperature Instability), TDDB(Time Dependent Dielectric Breakdown)로 구분된다. 


수동 소자인 캐패시터나 저항인 경우에는 Voltage Stress 또는 Current Stress로 신뢰성을 평가하며 후공정인 배선의 경우에는 EM(Electro Migration) 이나 SM(Stress Migration)등의 신뢰성 항목이 있다. 이 외에도 결정결함, 크랙, 표면오염, 접합열화, 불순물석출, 가동이온, 계면준위, Hot electron, 접착강도 부족, 단절, 부식, Al-Si Alloy Spike, Pin hole등의 고장메커니즘이 있다.


위에 고장메커니즘 중 몇 가지를 자세히 설명해보자면, 먼저 Au-Al Intermetallic Formation(Au-Al 금속간 화합물 형성)은 Al에 Au 와이어(wire)를 접착할 때와 본딩(bonding) 표면(surface)이 높은 온도가 될 때 Au와 Al이 화학반응을 일으켜 금속간 화합물(AuAl2)이 생기는 현상이다. 고장현상은 본드 와이어 단선이며, 가속인자는 온도이다. Au와 Al은 확산상수(diffusion constant)가 서로 다르기 때문에 금속간 화합물이 생기는 곳에서 보이드(void)가 생기고, 본딩 강도(bonding strength)의 열화와 저항 증가를 초래한다.


TDDB(Time Dependent Dielectric Breakdown)는 과전압이 아닌 낮은 전압에서도 시간이 경과하면서 산화막이 열화되어 파괴되는 현상이다. 고장현상은 산화막 파괴이며, 가속인자는 온도, 전계(electric field)이다. 


Electromigration(일렉크로마이그레이션)은 대표적인 금속배선의 신뢰성 불량항목으로 전류가 흐르면서 금속배선에서 발생하는 신뢰성 문제를 의미한다. 반도체 제품을 오래 사용하면 칩 내부 금속배선에서 전자가 이동하여 전류가 흐르는데, 전자가 이동하는 도중 금속원자와 충돌하면서 금속원자들이 오랜 시간 떠밀려 문제가 발생한다. 금속원자가 있어야 할 제 위치에 원자들이 빠져나간 곳은 점점 빈공간이 되어 결함(Void)이 형성됨으로써 단선(open)이 발생할 수 있다.


금속원자들이 빠져 나와 이동 중 특정한 위치에 모여 쌓이게 되면, 원치 않은 금속 패턴이 성장하게 되는데, 이때 둔덕(Hillock)이 생겨 배선과 배선이 연결되어 단락(short)이 발생할 수도 있다. 배선의 길이, 배선폭, 온도, 결정구조, 첨가된 원소, 표면 피복〮처리가 영향을 미친다.


Hot Carrier(핫 캐리어)는 n채널 MOSFET에서 소스드레인(drain)에 전압을 걸어줬을 때 채널이 짧아지면 채널위의 전자에 전계가 크게 걸려 전자가 더 강한 에너지를 갖게 되어 생기는 현상이다.  이러한 높은 에너지를 갖는 핫캐리어는 Si - SiO2 에너지 장벽을 뚫고 나가 게이트 산화막(gate oxide film)에 주입된다. 전자가 산화물 층에 박히면 문턱전압( _ )이 높아지기 때문에 채널 형성을 위해 게이트 전압( _ )에 더 높은 전압을 가해야 하기 때문에 MOSFET의 성능이 낮아지게 된다.


Thermal Expansion Coefficient Mismatch(열응력에 의한 고장)은 반도체 디바이스를 구성하는 재료들 사이의 열팽창계수 차이로 인하여 열응력이 발생하여 고장나는 현상이다. 열응력이 발생하는 곳에 따라서 패키지 크랙, Al 슬라이드, 보호막(passivation) 크랙, 와이어 단선, 칩크랙 등이 발생할 수 있다.


위와 같이 손톱만한 반도체에서 여러 고장이 야기되며, 작은 크기의 반도체가 우리 생활에서는 큰 중요성을 가지기 때문에 반도체 분야에서의 신뢰성 특성을 파악하고 다양한 신뢰성 항목을 정확하게 평가하는 것이 매우 중요하다.

 


【 청년서포터즈 5기 정예은 】

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