WAT란? 웨이퍼 맵으로 어디가 잘못됐는지 알아내는 법

팹에서 말하는 WAT는 Wafer Acceptance Test의 약자로, PCM 또는 전기적 파라미터 테스트라고도 한다. 웨이퍼 공정이 끝나고 팹을 나가기 전에, 웨이퍼 위에 측정용으로 따로 남겨 둔 작은 구조에 프로브를 대고 트랜지스터, 저항, 누설 전류 같은 기본 수치를 측정해 이 로트가 제대로 만들어졌는지 판단한다. 웨이퍼 맵은 또 하나의 성적표다. 웨이퍼 테스트로 칩 하나하나를 모두 테스트한 뒤, 양불을 위치대로 그린 그림이다. WAT는 ‘공정이 틀어지지 않았나’에 답하고, 웨이퍼 맵은 ‘불량이 어디에 있고 어떤 모양으로 늘어서 있나’에 답한다. 불량이 원형, 한쪽, 선, 가지런한 격자로 늘어서면 저마다 다른 문제를 가리키는 경우가 많다.

웨이퍼 테스트를 어떻게 하는지는 ‘칩은 어떻게 테스트할까?’에서 다뤘다. 이 글에서는 결과를 받은 뒤 어떻게 읽는지를 다룬다.

WAT는 무엇을 측정할까? 왜 칩을 직접 측정하지 않을까?

웨이퍼 위의 칩과 칩 사이에는 아주 좁은 틈이 줄지어 남아 있는데, 이를 스크라이브 라인이라고 한다. 마지막에 웨이퍼를 다이싱할 때 블레이드가 지나가는 곳이 바로 여기다. 어차피 잘려 나갈 곳이므로, 엔지니어는 여기에 측정 전용의 작은 구조를 배치한다. 이를 TEG(test element group)라고 한다.

TEG는 단순하다. 따로 떼어 낸 트랜지스터 하나, 길게 늘인 저항 하나, 줄줄이 이어진 콘택트 체인 같은 것으로, 각각 몇 개의 금속 패드에 연결되어 있어 프로브를 바로 댈 수 있다. TEG는 옆의 칩과 동시에 만들어지며, 똑같은 공정을 하나도 빠짐없이 거친다.

왜 칩을 직접 측정하지 않을까? 칩 하나에는 수천만 개에서 100억 개가 넘는 스위치가 빽빽이 들어 있어서, 어떤 종류의 트랜지스터가 몇 볼트에서 켜지기 시작하는지를 칩 전체의 동작에서 거꾸로 알아내기는 어렵다. 건물을 지을 때 같은 레미콘 차의 콘크리트로 공시체를 몇 개 따로 떠서 압축해 보고 강도가 충분한지 확인하는 것과 비슷하다. 벽을 깨 보지 않아도 그 차의 콘크리트가 합격인지 알 수 있다.

WAT로는 어떤 수치를 측정할까?

흔히 다음과 같은 종류가 있다.

• 트랜지스터: 몇 볼트에서 켜지기 시작하는지(업계에서는 문턱 전압이라고 한다), 완전히 켜졌을 때 전류가 얼마나 흐르는지, 꺼져 있을 때 누설 전류가 얼마인지.
• 저항: 어떤 층이 전기를 얼마나 잘 통하는지(면저항), 그리고 콘택트의 저항.
• 긴 콘택트 체인: 수천 개를 직렬로 이어 둔 것으로, 하나만 끊겨도 체인 전체가 통하지 않는다. 그래서 한 번만 측정하면 연결되지 않은 콘택트가 있는지 알 수 있다.
• 절연막: 정전 용량이 얼마인지, 몇 볼트에서 절연 파괴가 일어나는지.

웨이퍼마다 가운데와 가장자리에 흩어진 몇 개 위치만 골라, 위치마다 같은 수십 개 항목을 측정한다. 몇 개 지점만 측정하므로 칩을 하나하나 테스트하는 것보다 훨씬 빠르고, 그래서 WAT는 로트 전체가 틀어진 것을 가장 먼저 발견하는 곳 중 하나인 경우가 많다. 보통은 모든 수치가 규격 안에 있어야 로트가 웨이퍼 테스트로 넘어간다. 한 항목이라도 벗어나면 먼저 홀드하고 엔지니어의 판단을 기다린다.

WAT 한 항목이 불합격이면 무엇을 뜻할까?

칩이 반드시 불량이라는 뜻은 아니며, 어떤 공정이 틀어졌을 수 있다는 뜻이다. 어느 항목이 벗어났는지는 흔히 그 항목과 관련된 공정들을 가리킨다. 예를 들어 콘택트 저항이 높으면 콘택트 홀이 바닥까지 식각되지 않았거나 다 채워지지 않았을 수 있다.

하지만 가장 먼저 할 일은 흔히 측정을 먼저 의심하고, 그다음 공정을 의심하는 것이다. 프로브 카드의 바늘 끝에 이물이 묻어 접촉이 나쁘면 측정된 저항도 높게 나오고, 마치 공정에 문제가 생긴 것처럼 보인다. 바늘을 청소하고 다시 프로빙했더니 수치가 돌아왔다면, 공정의 문제가 아니다.

TEG는 웨이퍼 전체에 흩어져 있으므로 WAT 수치도 위치별로 펼쳐 볼 수 있다. 가운데와 가장자리가 얼마나 다른지, 이 웨이퍼와 다음 웨이퍼가 얼마나 다른지를 본다. 로트마다의 수치는 관리도에도 그려지며, 한쪽으로 서서히 쏠리면 주의해야 한다(‘SPC 관리도란?’ 참고).

웨이퍼 맵은 WAT와 무엇이 다를까?

	WAT	웨이퍼 맵
측정 대상	스크라이브 라인의 TEG	고객의 칩 하나하나
측정 지점 수	웨이퍼당 몇 개 위치	칩 전수
답하는 질문	공정이 틀어지지 않았나?	어느 칩이 불량이고, 어디에 있나?

웨이퍼 테스트가 끝나면 칩은 하나하나 서로 다른 bin으로 분류되고, 이를 위치대로 그린 것이 웨이퍼 맵이다. 양품과 불량품을 각각 다른 색으로 칠하고, 때로는 특성이 치우친 칩을 또 다른 색으로 표시한다. 수율은 양품이 몇 개인지를 세는 것이고(뉴스에서 말하는 ‘수율’이란? 참고), 웨이퍼 맵은 여기에 한 가지를 더 알려 준다. 불량이 어디에 생겼는지다.

웨이퍼 맵에 자주 나타나는 모양은 각각 무엇을 가리킬까?

연구에서 자주 쓰이는 한 공개 데이터 세트에는 실제 웨이퍼 맵이 80만 장 넘게 들어 있다. 그중 약 20%에는 사람이 유형을 붙였는데, 유형은 모두 아홉 가지(그중 하나는 ‘모양 없음’)이며, 가운데 한 덩어리, 가장자리 한 바퀴, 스크래치, 무작위 분산 등이 있다. 아래는 교과서와 논문에서 흔히 언급하는 방향이며, 모두 ‘흔히 가리킨다’는 것일 뿐 정답은 아니다.

• 규칙 없이 흩어져 있다: 무작위로 떨어진 파티클에 가깝다. 단일한 원인을 찾기 어렵고, 클린룸과 장비를 더 깨끗하게 하는 수밖에 없다(‘클린룸은 얼마나 깨끗할까?’ 참고).
• 가운데에 몰려 있다: 어떤 공정이 중심과 바깥쪽에서 다르게 진행된 것이다. 예를 들어 연마가 고르지 않았거나, 약액이 얼룩을 남겼거나, 장비의 어떤 기구에 문제가 생긴 경우다.
• 가장자리 한 바퀴: 웨이퍼의 가장 바깥쪽은 원래 가운데보다 균일하게 만들기 어렵다. 가스, 온도, 플라즈마가 가장자리에서는 가운데와 다르게 작용하기 때문이다. 흔히 박막, 식각, 연마, 가열처럼 웨이퍼 전체가 똑같아야 하는 공정부터 확인한다.
• 한쪽 또는 작은 한 구역에만 있다: 그쪽이 어떤 공정에서 다르게 처리되었을 수 있다.
• 선 하나, 호 하나: 흔히 스크래치다. 예를 들어 반송 로봇 팔이나, 연마 중에 단단한 입자가 끌려간 경우다.
• 가지런한 격자: 일정한 간격마다 불량이 하나씩 있다. 간격이 노광 장비가 한 번에 찍는 한 칸(샷)과 딱 맞는다면, 문제는 흔히 포토마스크를 따라다닌다. 마스크의 오염 한 점이 한 칸을 찍을 때마다 한 번씩 찍히는 것이다(‘마스크 엔지니어는 무슨 일을 할까?’ 참고). 간격이 프로브 카드가 한 번에 닿는 칩 수와 맞는다면 프로브 카드의 특정 바늘 그룹을 의심해야 하며, 이는 측정의 문제일 수 있다.
• 거의 웨이퍼 전체가 불량: 어떤 공정에서 웨이퍼 전체에 큰 잘못이 생겼을 수도 있고, 테스트 자체에 문제가 있었을 수도 있다.

실제 웨이퍼 맵은 두 가지 모양이 겹쳐 나타나는 경우가 많다. 같은 로트의 웨이퍼는 같은 공정을 거쳤기 때문에 패턴도 비슷한 경우가 많다.

모양을 알아낸 다음에는 무엇을 할까?

모양은 범위를 좁혀 줄 뿐이다. 그다음에 흔히 하는 일은 다음과 같다.

1. 먼저 측정을 배제한다: 바늘을 청소하고 다시 프로빙하거나, 답을 이미 알고 있는 웨이퍼로 대조한다.
2. 웨이퍼끼리 하나씩 비교한다: 모든 웨이퍼에 있는지, 몇 번째 웨이퍼부터 시작되는지 본다. 갑자기 나타났다면 그 시점에 무언가 바뀐 경우가 많다.
3. 기록과 대조한다: 불량 웨이퍼들이 거친 장비를 나열하고, 공통으로 거친 장비가 어느 것인지 찾는다.
4. 잘라서 본다: 먼저 불량 칩에 전원을 넣고 측정해 불량 위치를 아주 작은 범위로 좁힌 뒤(‘불량 분석(FA)이란?’ 참고), 그 자리에서 단면 분석을 하고 전자 현미경(예를 들어 TEM)으로 단면을 본다. 홀이 다 채워지지 않았는지, 배선이 끊겼는지, 아니면 층이 하나 더 생겼는지 확인한다.
5. 다른 수치와 함께 본다: 웨이퍼 맵의 가장자리 한 바퀴에 문제가 있다면, WAT의 가장자리 수치도 치우쳐 있는지 본다(공정 중간에 어떻게 측정하는지는 ‘팹은 공정이 제대로 됐는지 어떻게 알까?’ 참고).

fab24hr에서는

메인 스토리 ‘칩의 일생’ 챕터 3 ‘불량의 모양’에서 나는 R&D 라인의 개발 PIE 엔지니어이며(‘개발 PIE 엔지니어는 무슨 일을 할까?’ 참고), 웨이퍼 투입 후 한두 달이 지난 시점이다. 보청기 칩 ‘Glowmere’의 초도 로트 R-0912의 WAT 결과가 나왔다. 9번째 웨이퍼의 콘택트 저항이 규격보다 30% 높다. 전기 측정실의 샤오원은 다시 프로빙할지, 아니면 그대로 보고서에 공정 문제로 적을지 묻는다. 챕터 1에서 저우 선배에게 단면 분석용 웨이퍼를 한 장 나눠 주었다면, 저우 선배가 잘라서 무엇을 보았는지 알려 준다.

이어서 샤오원이 웨이퍼 맵 세 장을 화면에 띄운다. 초록은 정상, 빨강은 불량, 주황은 조금 빠름이다. 각 맵에서 다른 점을 짚어야 한다. 3번째 웨이퍼의 가장자리 한 바퀴(불량이 아니라 치우침), 8번째 웨이퍼부터 나타나는 격자, 11번째 웨이퍼의 호 모양 선이다. 오후 4시 마스크 회의에서는 다음 버전 마스크에서 칩 안에 두 칸을 남겨 자체 TEG를 넣을지도 정해야 한다.

‘직장인의 하루’에서는 ‘오늘 나는’ 카드의 ‘개발 라인’을 누르고 좌우로 넘겨 개발 PIE 엔지니어를 찾으면, 오후 근무가 바로 같은 날이다(근무는 기기의 시간에 따라 정해진다). 게임 속 회사, 칩, 인물, 로트 번호, 수치는 모두 가상이다. WAT와 웨이퍼 맵이 무엇이고 어떻게 읽는지는 공개된 일반 자료를 바탕으로 썼다. 다른 업계 용어는 ‘반도체 공장 전문 용어, 쉬운 말로 풀이’에서 찾아볼 수 있다.