불량 분석(FA)이란? 고장 난 칩의 원인은 어떻게 찾을까

불량 분석(failure analysis, 줄여서 FA. 고장 분석이라고도 한다)은 고장 난 칩 하나를 두고 정확히 어디가, 어떻게 망가졌는지 찾아내는 일이다. 방법에는 큰 원칙이 하나 있다. 바깥에서 안으로, 비파괴에서 파괴로. 먼저 전원을 넣어 측정하고 바깥에서 살펴 범위를 한 지점까지 좁힌 뒤, 마지막에야 그 지점을 열어 본다. 찾은 증거는 근본 원인을 찾고 재발을 막을 방법을 고민하는 사람에게 넘긴다.

불량 분석은 무엇을 찾나?

테스트는 ‘이 칩이 고장 났다’는 것만 알려 준다. 칩은 완성된 뒤 하나하나 전원을 넣어 테스트하지만(‘칩은 어떻게 테스트할까?’ 참고), 테스터는 대개 어느 항목이 통과하지 못했는지만 알 뿐, 칩 안의 수천만에서 100억 개 이상에 이르는 스위치와 여러 층의 배선 중 정확히 어디에 문제가 생겼는지는 모른다.

불량 분석이 답하는 것은 그다음 단계의 질문이다. 망가진 곳이 어디인가? 배선 하나가 끊어졌는가, 두 배선이 붙었는가, 아니면 구멍 하나가 다 채워지지 않았는가? 이런 실제 모습을 봐야 어느 공정, 어느 장비를 조사해야 할지 알 수 있다.

고장 난 칩은 어디서 오나?

크게 세 곳이다.

• 팹 안: WAT의 한 항목이 불합격이거나, 웨이퍼 테스트에서 통과하지 못한 칩이 있거나, 수율이 떨어졌을 때다(‘WAT란? 웨이퍼 맵으로 어디가 잘못됐는지 알아내는 법’ 참고). R&D 라인에서 새 공정을 개발할 때는 고장이 없어도 한 장을 잘라 만들어진 모습이 맞는지 보는 경우가 많다.
• 후공정 공장: 파이널 테스트를 통과하지 못했거나, 신뢰성 시험 도중 일찍 고장 났을 때다(‘번인이란?’ 참고).
• 고객이 반품한 것: 제품에 들어간 뒤에 고장 나서, 고객이 반품 요청서를 발행해 돌려보낸다.

어떻게 조사하나? 바깥에서 안으로, 단계별로

의사의 진료와 같다. 먼저 어디가 불편한지 묻고, 혈압을 재고, X선을 찍으며, 수술은 맨 마지막이다. 칩도 마찬가지로 뒤 단계로 갈수록 칩을 더 파괴하고, 파괴하면 다시 할 수 없다.

1단계: 먼저 문제를 재현하고 전기적 특성을 측정한다

칩에 전원을 연결해 처음 고장 났을 때의 조건으로 다시 테스트한다. 어느 핀에서, 얼마나 뜨겁거나 얼마나 높은 전압에서 고장 나는지 보고, 정상 칩 하나와 비교한다. 이 단계에서 정말 고장 났는지 확인하고, 어떻게 고장 났는지도 먼저 파악한다. 끊어졌는지(오픈), 붙었는지(쇼트), 아니면 누설 전류가 늘었는지다. 먼저 확인하지 않으면 사실은 멀쩡한데 처음에 접촉만 잘못됐던 칩을 분해해 괜히 망가뜨릴 수 있다.

2단계: 열지 않고 바깥에서 먼저 본다

이 단계는 1단계와 함께 하는 경우가 많고, 어느 쪽을 먼저 하는지는 곳에 따라 다르다. 광학 현미경으로 패키지 겉면에 균열이 있는지 보고, X선으로 패키지 안의 금속 와이어와 솔더 접합부가 끊어졌는지 보고, 초음파로 플라스틱과 칩 사이가 떨어졌는지 본다(음파는 빈틈을 만나면 거의 전부 반사된다. 이런 아주 얇은 틈은 X선으로는 잘 보이지 않는 경우가 많다). 이런 방법은 대개 칩을 손상하지 않으며, 패키지 문제는 이 단계에서 드러나는 경우가 많다. 처음부터 열어 버리면 균열과 틈의 원래 모습이 흐트러져, 원래 있던 것인지 열면서 생긴 것인지 더는 말할 수 없게 될 수 있다.

3단계: 전원을 넣고 열이나 빛이 나는 지점을 찾는다

칩은 플라스틱에 싸여 있어 카메라로 볼 수 없으므로, 먼저 강산으로 패키지를 녹여 구멍을 내고 칩을 드러내는 경우가 많다. 안의 가는 와이어는 남겨 두어 여전히 전원을 넣을 수 있다. 그런 다음 고장 나는 조건으로 전원을 넣은 채 매우 민감한 카메라로 촬영한다. 쇼트나 누설이 있는 곳은 주변보다 조금 뜨겁거나 아주 희미한 빛을 내는 경우가 많다. 위쪽 금속층에 가려지면 뒷면에서 본다. 적외선은 실리콘을 투과한다. 칩 하나에는 스위치가 1억 개 넘게 있는 경우가 많고, 다음 단계에서는 아주 작은 부분만 자를 수 있으므로 어디를 자를지 먼저 알아야 한다. 지점을 찾지 않고 자르면 망가진 그 한 곳을 정확히 자를 가능성은 거의 없다.

4단계: 그 지점까지 파 내려간다

칩 위쪽 배선을 한 층씩 연마하거나 식각해 없애고, 망가진 층에서 멈춘다. 한 지점만 볼 때는 집속 이온 빔(FIB)을 쓴다. 아주 가는 이온 빔으로 그 작은 부분만 파낸다. 결함은 여러 층의 배선 아래에 묻혀 있는 경우가 많아, 그 층까지 파 내려가지 않으면 보이지 않는다. 이 단계 뒤에는 되돌릴 수 없다. 엉뚱한 곳을 파거나, 한 번에 너무 깊이 연마해 망가진 층까지 없애 버리면 증거가 사라진다.

5단계: 전자 현미경으로 단면을 보고 성분을 분석한다

드러난 단면을 주사 전자 현미경(SEM)으로 촬영하고, 더 세밀하게 보려면 아주 얇은 조각으로 깎아 투과 전자 현미경(TEM)에 넣는다. 전자가 부딪히면 원소마다 고유한 X선도 나오는데, 이를 측정하면 그 지점이 어떤 성분인지 알 수 있다. 그래야 구멍이 다 채워지지 않았는지, 배선이 끊어졌는지, 아니면 파티클이 하나 끼었는지 알 수 있다. 모양만 보면 ‘무언가 하나가 더 있다’는 것만 알 뿐이고, 성분을 알아야 어느 공정, 어떤 재료에서 들어왔는지 추정할 수 있다.

6단계: 결론을 써서 근본 원인을 찾는 사람에게 넘긴다

어디가 망가졌는지, 무엇인지, 어떤 방법을 썼는지, 어느 사진들이 증거인지 적는다. 불량 분석이 답하는 것은 ‘어떻게 망가졌는가’다. 왜 일어났는지, 어떻게 재발을 막을지는 장비 기록과 로트마다 거친 공정을 함께 대조해 조사해야 한다(‘근본 원인 분석이란?’ 참고). ‘보이드 있음’ 한 줄만 쓰면 보이드를 만든 공정을 아무도 고치지 않고, 다음 로트도 똑같이 나온다.

왜 칩을 전부 잘라 보지 않나?

단면 분석은 그 칩을, 또는 웨이퍼 한 장 전체를 망가뜨리고, 시간도 많이 들기 때문이다. 그래서 팹은 평소에 테스트와 검사로 ‘어느 칩, 어느 웨이퍼에 문제가 있는지’를 찾고(‘결함 검사란?’ 참고), 가장 의심스러운 것만 골라 불량 분석을 하며, 그중에서도 가장 의심스러운 지점만 잘라 본다.

fab24hr에서는

메인 스토리 ‘칩의 일생’ 챕터 3 ‘불량의 모양’에서 플레이어는 R&D 라인의 개발 PIE 엔지니어다. 새 칩 ‘Glowmere’의 초도 로트 WAT 결과가 나왔다. 9번째 웨이퍼의 콘택트 저항이 규격보다 30% 높다. 전기 측정실의 샤오원이 묻는다. 다시 프로빙할지, 바로 보고서에 써서 공정 문제로 처리할지. 이것이 바로 1단계, 먼저 측정 오류가 아닌지 확인하는 일이다. 챕터 1에서 저우 선배에게 단면 분석용 웨이퍼를 한 장 나눠 줬다면, 저우 선배는 잘라 보니 콘택트 아래에, 그것도 가장자리 몇 개 칩에만 작은 보이드가 있었다고 말한다. 나눠 주지 않았다면 “단면 분석이 없으니 전기 특성으로 짐작할 수밖에 없어.”라고 말한다.

‘직장인의 하루’에서 ‘오늘 나는’ 카드의 ‘개발 라인’을 누르고, 좌우로 넘겨 개발 공정 엔지니어로 간 다음 이름 아래의 ‘식각’을 누른다(근무는 기기의 시각을 따른다). 심야 근무에는 분석실 야간조가 단면 사진 한 장을 보내오고, 가장자리 콘택트 바닥에 금속이 채워지지 않은 보이드를 짚어야 한다. 저우 선배는 식각 때문인지 금속 충전 때문인지 확인하려면 TEM이 필요하다고 말한다. 팀 장비는 오늘 다른 그룹에 배정되어 있어, 그쪽에 4시간을 빌릴지, 외부 실험실에 보내고 2주를 기다릴지 정해야 한다.

‘후공정 공장’을 누르고 고객 담당으로 넘기면, 오전 근무에 엔지니어링 샘플 하나가 반품되어 온다. 보드에 납땜한 뒤 전원을 넣어도 동작하지 않는다. 신뢰성 시험실의 샤오팡이 말한다. “하나씩 보세요. 결론부터 내리지 말고요.” 전기 테스트, 외관, X선, 초음파, 고객의 반품 요청서를 하나씩 대조해 보면 원인은 칩 자체에 있지 않다(‘후공정 공장의 고객 담당은 무슨 일을 할까?’ 참고).

게임 속 회사, 칩, 인물, 로트 번호와 수치는 모두 가상이다. 불량 분석을 어떻게 하는지, 왜 비파괴를 먼저 하고 파괴를 나중에 하는지는 공개된 일반 자료를 바탕으로 썼다. 다른 전문 용어는 ‘반도체 공장 전문 용어, 쉬운 말로 풀이’에서 찾아볼 수 있다.