[논문]반도체 소자의 DC 특성 검사용 회로설계에 관한 연구

김준식; 이상신; 전병준

doi:10.5207/jieie.2004.18.1.105

문제 정의

본 연구에서는 DC 파라미터 검사기를 연구하여 반도체 칩의 생산라인에서의 생산성 증대 및 품질향상에 중점을 두었다. DC 파라미터 검사기에서는 간단한 0P 앰프 증폭기와 current range를 사용하여 정전압과 정전류를 디바이스에 인가하여 디바이스의 전압, 전류값의 변화에 따른 특성을 검사, 디바이스의 품질을 확인할 수 있었다.
본 연구에서는 효율성 있는 반도체 검사 장비의 개발을 목적으로 하였으며, 간단한 연산증폭기를 사용하여 시스템을 구현하였고, 각각의 신호선을 제어할 수 있게 시스템을 연구하였다.

제안 방법

전압을 인가한 측정시의 전체 구성도를 그림 11에 나타내었다. DUT에 일정한 전압이 걸리게 유지하기 위하여 DUT에서 나온 전압을 다시 주 증폭기로 귀환, 입력값과의 차이를 구해 다시 입력과 더해서 출력을 보정하는 방법을 사용하였으며, DUT에서 나오는 전압값을 정확히 ADC로 보내면서 주 증폭 기로 귀환하기 위해 DUT 출력 단에 그림 12와 같은 sense an侦tier를 연결하여 정확도를 높였다.
current range 회로도를 그림 6에 나타내었으며, 여기서는 옴의 법칙(V=IXR)을 사용하여 일정한 전압 값이 주어진 상태에서 저항 값을 변화시켜 원하는 전류 값을 만들거나, 각각의 저항에 전압 값을 변화 시켜 전류 값을 만드는 방식으로 구성을 하였다. 각각의 저항을 연결 또는 단절시켜 원하는 저항값을 만들기 위해 4개의 신호선과 릴레이를 이용하였다. 이러한 신호선으로 손쉽게 저항 값을 원하는 값으로 조절이 가능하도록 설계를 하였다.
그림 1l에서 보는 것과 같이 전압인가 후 test 시 DUT에서 나온 값이 그림 12의 sense an?)lifier 회로를 통과하면서 잡음 성분이 제거되고, 이 값이 다시 n림 13의 전압보정회로에 입력되어 주 증폭기 에서 나온 출력 값과 차를 구한다. 그 후 다시 구한 값을 주 증폭기로 귀환하여 주 증폭기에서 합해지고, current range를 통과하고 DU冗에 입력 되게 하여서 점차 적으로 DUT에 걸리는 전압 값이 일정하게 유 지되어 정확한 측정값이 나오도록 하였다. 전압 보 정회로는 그림 13에 나타내었으며 AD7U을 사용하여 주 증폭기의 출력 값과의 차를 구하였다｛3-5}
DC 파라미터 검사기에서는 간단한 0P 앰프 증폭기와 current range를 사용하여 정전압과 정전류를 디바이스에 인가하여 디바이스의 전압, 전류값의 변화에 따른 특성을 검사, 디바이스의 품질을 확인할 수 있었다. 이 DC 파라미터 검사기에서 AD7226소자를 사용하여 총 16채널까지 확장이 가능하도록 하였으며, 전류인가를 위해서 current range 부에서 릴레이를 사용하여 저항값의 자동 변화를 가능하게 하여 전류인가의 효율성을 증가 시켰고, sense amplifier, 전압보정회로를 연결하여 오류를 자체 보정을 할 수 있게 하였다. 이러한 결과로 DC 파라미터 검사기의 효율성을 극대화 할 수 있었다.
각각의 저항을 연결 또는 단절시켜 원하는 저항값을 만들기 위해 4개의 신호선과 릴레이를 이용하였다. 이러한 신호선으로 손쉽게 저항 값을 원하는 값으로 조절이 가능하도록 설계를 하였다. 그림 7부터 10까지는 current ran蟾e의 각각의 저항에 따른 simulatiori값을 보여주고 있다.
저항 특성 테스트도 다이오드와 마찬가지로 입력전압이 0[V]에서 3[巧까지, 인가전압이 0[巧에서 6[V]까지 하여 테스트를 하였다. 그림 19는 저항에 흐르는 전압을 측정하므로 인가되는 전압이 그대로 테스트 저항 l[kQ]을 흐르게 되어 인가전압과 동일한 전압이 측정된것을 보여주고 있으며, X축은 인가된 전압을, y축은 측정된 전압을 나타낸다.
주 증폭기는 SENSE, IMDUT, CHASE, MAINOUT 신호선을 이용하여 각 단의 값을 다시 입력 받아 출력 값을 결정하여 주는 역할로 특정 전압값과 전류 값을 일정하게 유지를 할 수 있게 회로를 구성하였다. 그림 4는 주 증폭부의 회로이다.
이 E/A converter는 전압, 전류원에 테스트 값을 지정하기 위한 목적으로 사용되고, 4개의 변환 채널과 8비트의 변환 범위를 가지고 있다. 총 4개의 AD7226소자를 사용하여 12개의 출력을 갖는 구성으로, 8비트 DAC 두 개를 하나의 구성으로 하여 10 개의 데이터를 입력받아 각각 IMCAL9A ~ IMCAL12B로 신호를 내보내고 남은 DAC 두 개를 통해 IMCAL13A ~ IMCAL16A, IMCAL13B ~ IMCAL16B로 변환된 신호를 내보낸다. AD7226은 Vss를 -5[V], VDD를 +15[V]로 하는 dual supply 모드로 사용하고, 각각의 VREF는 +2V ~ +12.

대상 데이터

테스트 시스템의 인터페이스는 8255와 74LS138 디코더로 구성되어 있으며, 제어 신호 발생을 위한 데이터를 전송하고, D/A 변환을 위한 디지털 데이터를 전송하며 그리고, A/D 변환 결과를 읽어 온다. PC와의 어드레스 매핑은 I/O mapped I/O 방식으로 구성되어 있으며, 표1과 같다.

이론/모형

DUT에 일정한 전류가 흐르도록 하기 위해서는 옴의 법칙에 의하여 current range에 일정한 전압이 걸리게 하여야 current range에서 나온 전압값이 )UT에 일정하게 공급을 할 수 있게 하는 방식을 사 手하였다.
current range 회로도를 그림 6에 나타내었으며, 여기서는 옴의 법칙(V=IXR)을 사용하여 일정한 전압 값이 주어진 상태에서 저항 값을 변화시켜 원하는 전류 값을 만들거나, 각각의 저항에 전압 값을 변화 시켜 전류 값을 만드는 방식으로 구성을 하였다. 각각의 저항을 연결 또는 단절시켜 원하는 저항값을 만들기 위해 4개의 신호선과 릴레이를 이용하였다.

성능/효과

반도체 칩의 집적도가 증가하고 기능이 복잡해짐에 따라 생산된 반도체 칩의 정상 동작 여부를 테스트하는 작업이 어려워 테스트에 소요되는 시간이 증가하였고 결국에는 전체적인 테스트 비용이 증가하게 되었다. 효율적으로 테스트하기 위해서는 정전압과 정전류 테스트를 정확히 하여 빠른 시간 안에 테스트가 이루어지도록 하는 것이 중요하다.
그림 19는 저항에 흐르는 전압을 측정하므로 인가되는 전압이 그대로 테스트 저항 l[kQ]을 흐르게 되어 인가전압과 동일한 전압이 측정된것을 보여주고 있으며, X축은 인가된 전압을, y축은 측정된 전압을 나타낸다. 실험 결과 값으로 봤을 때 옴의 법칙을 적용하여 계산한 값과의 오차율은 1%정도로 매우 정확한 결과를 얻을 수 있다.
옴의 법칙을 적용하여 테스트 결과를 검사 하였을 때, 0.1[mA]> HkQ]에 인가하여 1[V]의 출력전압을 얻는 것을 확인할 수 있다. 이 결과에서도 앞에서 보인 전압인가 전류 측정 때와 마찬가지로 계산한 결과치와의 오차율이 1%정도로 매우 낮게 나타난다.
이 DC 파라미터 검사기에서 AD7226소자를 사용하여 총 16채널까지 확장이 가능하도록 하였으며, 전류인가를 위해서 current range 부에서 릴레이를 사용하여 저항값의 자동 변화를 가능하게 하여 전류인가의 효율성을 증가 시켰고, sense amplifier, 전압보정회로를 연결하여 오류를 자체 보정을 할 수 있게 하였다. 이러한 결과로 DC 파라미터 검사기의 효율성을 극대화 할 수 있었다. 향후 DC 파라미터 검사기의 각 노드의 잡음 성분의 발생을 zero화하여 정확도를 증가 시켜야 할 것이며, 절전되거나 강전이 흐를 때를 대비하여 전압 안정화 장치를 개발 하여 추가 한다면 더욱 안정되고 정밀한 검사 장비가 될 것이다.

후속연구

짧은 기간에도 불구하고 현재 우리나라는 미국, 일본에 이어 세계 제 3위의 반도체 생산 대국으로 성장하였다. 지금 반도체 산업에서 메모리 산업은 싱크로너스 D램, DDR램 그리고, 램버스 。램 등의 범용 표준 메모리에서 앞으로 D래 S래플래시메모리가 결합된 퓨전메모리가 개발 되어 상용화할 것이다. 이러한 메모리의 발전은 모든 기기에 응용이 될 것이고, 보다 많은 생산물을 요구하게 될 것이다.
지금 반도체 산업에서 메모리 산업은 싱크로너스 D램, DDR램 그리고, 램버스 。램 등의 범용 표준 메모리에서 앞으로 D래 S래플래시메모리가 결합된 퓨전메모리가 개발 되어 상용화할 것이다. 이러한 메모리의 발전은 모든 기기에 응용이 될 것이고, 보다 많은 생산물을 요구하게 될 것이다. 그러나 이를 생산하고 검사하는데 필요한 반도체 검사 장비 분야의 성장은 그리 만족할 만한 수준이 아니어서 반도체 검사 장비의 80%를 수입에 의존하고 있다.
이러한 결과로 DC 파라미터 검사기의 효율성을 극대화 할 수 있었다. 향후 DC 파라미터 검사기의 각 노드의 잡음 성분의 발생을 zero화하여 정확도를 증가 시켜야 할 것이며, 절전되거나 강전이 흐를 때를 대비하여 전압 안정화 장치를 개발 하여 추가 한다면 더욱 안정되고 정밀한 검사 장비가 될 것이다.

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