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반도체 입문 · 19강

수율과 웨이퍼 맵

팹이 최종적으로 내보내는 것은 양품 칩이다. 수율은 양품이 몇 퍼센트인지를, 웨이퍼 맵은 불량이 어디에 있는지를 알려 준다. 둘을 함께 봐야 어느 공정 단계로 거슬러 올라가 찾아야 할지 알 수 있다.

학습 목표

• 수율을 어떻게 계산하는지, 단계마다 조금씩만 손실이 나도 곱하면 왜 크게 차이 나는지 설명하고, 결함 밀도를 이용해 칩이 클수록 왜 수율이 낮아지는지 설명할 수 있다.
• WAT와 웨이퍼 맵을 구분할 수 있다. 하나는 스크라이브 라인의 TEG를 측정하고, 다른 하나는 칩 하나하나를 모두 테스트한다.
• 웨이퍼 맵에 나타난 불량의 모양이 흔히 어떤 종류의 문제를 가리키는지 말하고, 새 공정의 수율이 한 차례씩 어떻게 올라가는지(수율 학습), 왜 갈수록 느리게 오르는지 설명할 수 있다.

한 단계씩

1. 양품 칩의 비율(수율)을 세고, 모든 단계에서 불량을 최대한 내지 않는다.

   이유수율은 단계마다 곱해진다. 단계마다 1,000분의 1만 불량이 나도 500단계를 거치면 60% 정도만 남는다.

   하지 않으면어느 단계에서든 조금 더 틀어지면 그대로 곱해진다. 수율이 낮으면 양품 하나하나가 비싸지고, 고객에게 약속한 수량을 제때 만들지 못할 수도 있다.

2. 웨이퍼 공정이 끝나면 먼저 스크라이브 라인의 TEG를 측정한다(WAT).

   이유TEG는 칩과 함께 모든 단계를 거치며, 웨이퍼마다 몇 곳만 측정하므로 칩을 하나하나 테스트하는 것보다 훨씬 빠르다.

   하지 않으면칩 안에는 스위치가 너무 많아 칩 전체로부터 역산하기 어렵다. WAT를 먼저 하지 않으면 로트 전체가 틀어진 것을 더 느린 개별 칩 테스트에서야 알게 된다.

3. WAT를 통과하면 프로브 카드로 칩 하나하나를 모두 테스트하고(웨이퍼 테스트), 불량을 유형별로 분류한다.

   이유WAT는 ‘공정이 틀어졌는가’에만 답할 뿐, 어느 칩이 불량인지는 말해 주지 못한다.

   하지 않으면모든 칩을 테스트하지 않으면 양품과 불량을 가를 수 없고, 불량 칩이 패키징으로 넘어갈 수도 있다.

4. 결과를 위치대로 웨이퍼 맵에 그리고, 불량이 어떤 모양으로 늘어섰는지 본다.

   이유모양은 흔히 서로 다른 단계를 가리킨다. 가장자리 고리 모양이면 웨이퍼 전체가 균일해야 하는 단계를 먼저 조사하고, 직선이나 호 모양이면 스크래치인 경우가 많다.

   하지 않으면수율 숫자만 보면 몇 개가 불량인지만 알 뿐, 어디가 불량인지는 모른다.

   

   

5. 측정 문제를 먼저 배제한다. 프로브 카드의 바늘을 깨끗이 청소하고 한 번 더 프로빙한다.

   이유바늘 끝이 더러우면 측정한 저항도 높게 나와, 공정에 문제가 생긴 것처럼 보인다.

   하지 않으면이 단계를 건너뛰면 측정 문제를 공정 문제로 알고 조사할 수 있다.

6. 웨이퍼를 한 장씩 비교하고, 불량 웨이퍼가 거친 장비를 대조한 뒤, 마지막으로 불량 위치를 찾아 잘라서 단면을 본다.

   이유갑자기 나타났다면 그 무렵 무언가가 바뀐 경우가 많다. 불량 웨이퍼들이 공통으로 거친 장비가 가장 의심스럽다.

   하지 않으면모양은 범위를 좁혀 줄 뿐이어서, 잘라 보지 않으면 구멍이 덜 채워졌는지, 선이 끊어졌는지, 층이 하나 더 생겼는지 단정할 수 없다.

7. 원인을 찾으면 고치고(조건 변경, 장비 수리, 마스크 교체), 다음 로트의 숫자가 돌아왔는지 확인한 뒤 다음 불량 유형으로 넘어간다.

   이유모양은 단서일 뿐이며, 고친 뒤에도 숫자가 돌아오는지 봐야 한다. 한 유형을 해결할 때마다 수율이 한 단계 오르지만, 갈수록 남은 문제는 작고 찾기 어려워 오르는 속도가 느려진다.

   하지 않으면엉뚱한 곳을 고치거나, 우연히 한 로트가 좋아진 것을 보고 해결됐다고 여기면 수율이 오르다 중간에 멈춘다.

핵심 설명

수율은 단계마다 곱해지고, 칩 크기에도 달려 있다

수율은 웨이퍼 한 장에서 만들어진 칩 가운데 양품이 차지하는 비율이다. 100개 중 90개가 양품이면 90%다. 웨이퍼는 수백 단계를 거치는데, 단계마다 남은 양품 칩 중 일부가 또 불량이 된다. 단순하게 계산해 단계마다 1,000분의 1만 불량이 나도, 500단계를 거치면 60% 정도만 남는다. 칩 크기도 관계가 있다. 파티클 같은 작은 결함은 먼지처럼 웨이퍼 위에 무작위로 떨어지며, 칩 하나는 치명적인 결함 하나만 맞아도 불량이 된다. 1제곱센티미터당 평균 치명적 결함 수를 결함 밀도라고 하며, 이 라인이 얼마나 깨끗하고 안정적으로 만드는지를 나타낸다. 여기에 칩 면적을 곱하면 칩 하나당 평균 몇 개의 결함을 맞는지가 되고, 그 수가 클수록 하나도 맞지 않은 칩은 줄어든다. 웨이퍼 한 장에 치명적 결함 100개가 떨어졌다고 하고, 가장 단순한 방식(결함은 완전히 무작위이고, 가장자리에 칩이 다 들어가지 않는 부분은 따지지 않는다)으로 계산해 보자. 작은 칩 1,000개로 나누면 양품은 약 905개로 수율이 약 90%다. 큰 칩 100개로 나누면 양품은 약 37개만 남아 수율이 40%에 못 미친다. 칩이 10배 커지면 한 장에 들어가는 개수는 원래부터 10배 적은데, 양품은 20여 배나 적어진다. 같은 라인에서 똑같이 깨끗하게 만들어도 수율이 이만큼 차이 나므로, 크기가 다른 칩의 수율은 그대로 비교할 수 없다.

공정이 끝나면 먼저 스크라이브 라인의 TEG를 측정한다(WAT)

칩과 칩 사이에는 아주 좁은 스크라이브 라인이 있고, 마지막에 칼날이 이곳을 따라 자른다. 어차피 잘려 나갈 곳이므로 여기에 측정 전용의 작은 구조물을 넣는데, 이를 TEG라고 한다. 단독 트랜지스터 하나, 저항 하나, 수천 개를 직렬로 이은 콘택트(하나만 끊어져도 전체가 통하지 않는다) 같은 것이다. TEG는 칩과 동시에 만들어지며, 똑같은 공정 단계를 하나하나 모두 거친다. 칩 안에는 스위치가 너무 많아서 칩 전체로부터 특정 트랜지스터의 수치를 역산하기 어렵다. 그래서 웨이퍼 공정이 끝나면 먼저 TEG를 측정하는데, 이를 WAT라고 한다. 웨이퍼마다 몇 곳만 측정하므로 칩을 하나하나 테스트하는 것보다 훨씬 빠르며, 로트 전체가 틀어진 것을 가장 먼저 발견하는 곳 중 하나인 경우가 많다. 한 항목이라도 벗어나면 일단 홀드한다.

이어서 칩 하나하나를 테스트해 웨이퍼 맵으로 그린다

WAT는 ‘공정이 틀어졌는가’에는 답하지만, 어느 칩이 불량인지는 말해 주지 못한다. 그래서 이어서 웨이퍼 테스트를 한다. 프로브 카드의 아주 가는 바늘을 칩마다 접점에 대고 전기를 걸어 측정하며, 몇 개를 뽑는 것이 아니라 하나도 빠짐없이 테스트한다. 결과를 위치대로 웨이퍼 맵에 그리고, 양품과 불량을 각각 다른 색으로 표시한다. 불량의 모양은 많은 것을 말해 준다. 규칙 없이 흩어져 있으면 무작위로 떨어진 파티클에 가깝다. 가장자리에 고리 모양으로 몰려 있으면 박막, 식각, 연마, 가열처럼 웨이퍼 전체가 균일해야 하는 단계를 먼저 조사하는 경우가 많다. 직선이나 호 모양이면 스크래치인 경우가 많다. 반듯한 격자 모양이고 그 간격이 노광 장비가 한 번에 찍는 한 칸과 꼭 맞으면, 마스크를 따라가는 문제인 경우가 많다.

모양에서 거슬러 올라가 해당 단계를 찾고, 하나씩 해결한다: 수율 학습

새 공정을 막 시생산할 때는 수율이 매우 낮은 경우가 많아, 한 차례씩 끌어올려야 한다. 이를 수율 학습이라고 하며, 그래프로 그리면 뉴스에서 말하는 ‘수율 램프업’이 된다. 웨이퍼 테스트가 끝나면 불량을 유형별로 분류하고, 가장 많은 유형부터 처리해야 수율이 가장 빨리 오른다. 모양은 범위를 좁혀 줄 뿐 답이 아니다. 가장 먼저 할 일은 흔히 측정을 의심하는 것이다. 프로브 카드의 바늘 끝이 더러우면 저항이 높게 측정되어 공정에 문제가 생긴 것처럼 보이므로, 먼저 바늘을 청소하고 다시 프로빙한다. 다음으로 웨이퍼를 한 장씩 비교해 모든 웨이퍼에 있는지, 몇 번째 웨이퍼부터 시작됐는지 본다. 그다음 불량 웨이퍼들이 공통으로 거친 장비를 찾는다. 마지막으로 전기적 측정으로 불량 위치를 작은 영역까지 좁힌 뒤, 그곳의 단면을 잘라 전자 현미경으로 본다. 조건을 바꾸거나 장비를 수리한 뒤에도 다음 로트의 숫자가 돌아오는 것을 확인하고 나서야 다음 유형으로 넘어간다. 처음에는 대개 몇 가지 큰 체계적인 문제가 있어서, 불량이 고리 모양이나 격자 모양으로 늘어선다. 갈수록 남는 문제는 작고 찾기 어려워지며, 그중 상당수는 무작위 결함이어서 라인 전체를 더 깨끗하게 하고 결함 밀도를 조금씩 낮춰야 한다. 그래서 갈수록 느리게 오른다.

흔한 오해

흔히 듣는 말수율이 나쁘면 손에 넣은 칩도 고장 나기 쉽다.

실제로는일부만 맞는 말이다. 출하 전에 칩을 하나하나 모두 테스트해 불량은 대부분 걸러 내므로, 수율이 나쁠 때 가장 직접적인 결과는 양품 하나하나가 비싸지고 수량이 모자랄 수도 있다는 것이다. 다만 테스트는 ‘지금 정상인가’만 묻는다. 어떤 결함은 칩을 당장 고장 낼 만큼 크지 않아서, 테스트는 통과하지만 상대적으로 약한 작은 흠으로 남았다가 사용 초기 몇 주에서 몇 달 사이에 고장을 일으킨다. 이를 초기 고장이라고 한다. 연구에 따르면 수율이 나쁜 웨이퍼에서는 테스트를 통과한 칩도 나중에 초기 고장이 더 많았고, 불량이 특히 많이 몰린 영역의 주변도 마찬가지였다. 그래서 요구 수준이 높은 제품은 번인 같은 선별을 한 번 더 거치거나, 수율이 평소보다 눈에 띄게 나쁜 웨이퍼를 따로 처리한다.

흔히 듣는 말웨이퍼 맵의 모양을 알아보면 원인을 알 수 있다.

실제로는모양은 ‘흔히 가리키는 것’일 뿐 답이 아니다. 칸칸이 늘어선 불량은 마스크를 따라가는 문제일 수도 있고, 프로브 카드의 어느 바늘 묶음에 문제가 생긴 것일 수도 있는데, 후자라면 측정의 문제다. 실제 웨이퍼 맵에는 두 가지 모양이 겹쳐 나타나는 경우도 많다. 그래서 측정 문제를 먼저 배제하고, 장비 이력과 대조하고, 잘라서 단면을 본 뒤에야 확정할 수 있다.

필독

• 뉴스에서 말하는 ‘수율’이란? 1% 차이가 왜 클까
• 칩이 클수록 수율은 왜 낮아질까? 결함 밀도, 수율 모델, 수율을 끌어올리는 방법
• WAT란? 웨이퍼 맵으로 어디가 잘못됐는지 알아내는 법

플레이

챕터 3 ‘불량의 모양’부터 시작하기: WAT에서 한 장이 불합격, 이어서 웨이퍼 맵 세 장에서 이상한 곳을 짚어 낸다 →

생각해 보기

1. 수율이 90%에서 95%로 오르면 공장, 칩을 사는 회사, 제품을 쓰는 사람에게 각각 무엇을 의미하는가?
2. 웨이퍼 맵의 불량이 칸칸이 늘어서 있다면 마스크 때문일 수도, 프로브 카드 때문일 수도 있다. 각각을 확인하는 데 얼마나 품이 드는가? 어느 쪽을 먼저 조사하겠는가? 그 이유는 무엇인가?

수업 자료: 슬라이드

이 강의의 핵심, 모식도, 장비, 토론 질문을 슬라이드 한 벌로 만들었다. 그대로 화면에 띄워도 되고, 자신의 강의 자료에 넣어도 된다.

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이 글 인용하기‘반도체 입문 · 19강: 수율과 웨이퍼 맵’, fab24hr, 2026년 10월 27일 업데이트. https://fab24hr.com/ko/learn/yield/