반도체소자 신뢰성 시험과 국내유일의 저주파노이즈
시험분석으로 센서의 성능을 높여주는 전문기업
한국센서연구소Korea Sensor Lab.


    

    신뢰성 시험/분석

    신뢰성이란?

    • 신뢰성이란 일반적으로 제품이나 부품이 소비자가 사용하는 동안 고장 없이 얼마나 오랜 기간 안전하고 편리하게 사용할 수 있는가를
      정량적인 수치로 나타내는 평가지표라고 정의.
    • 이와 마찬가지로 반도체 소자나 반도체 Chip도 다양한 신뢰성 특성을 만족시켜야 함.
    • 따라서 이러한 신뢰성 특성을 정확히 평가하고 분석하는 것이 매우 중요.

    신뢰성 평가의 필요성

    • 일반적인 반도체 Chip은 수천만 개에서 수십억 개의 반도체 소자로 이루어져 있음.
    • 수십억 개의 반도체 소자 중에 하나라도 사용 중에 고장이 난다면 반도체 Chip이 동작하지 않게 됨.
    • 또한 해당 반도체 Chip을 사용한 시스템이 동작하지 않게 됨.
    • 반도체 소자의 신뢰성 규격은 일반적인 제품이나 부품의 신뢰성 규격보다 훨씬 까다로움.
    • 다양한 신뢰성 항목을 정확하게 평가하는 것이 매우 필요.

    시험 분석 분야

    • 크게 Hot Carrier, BTI(Bias Temperature Instability), TDDB(Time Dependent Dielectric Breakdown)로 구분됨.
    • 수동 소자인 캐패시터나 저항인 경우에는 Voltage Stress 또는 Current Stress로 신뢰성을 평가.
    • 후공정인 배선의 경우에는 EM(Electro Migration) 이나 SM(Stress Migration)등의 신뢰성 항목이 있음.

    Hot Carrier Lifetime 추출

    • 핫 캐리어(Hot Carrier)라고 명명된 고 에너지 캐리어는 MOSFET 소자의 드레인(Drain) 근처의 높은 채널 전기장(Electric Field)에 의해서 발생.
    • 핫 캐리어는 포논(Phonon) 방출을 통해서 실리콘 격자에 에너지를 전달하고 실리콘/실리콘 산화막(Si/SiO2) 계면 내 본드(Bond)를 파괴.
    • 일부 핫 캐리어는 실리콘 산화막(SiO2) 내부로 주입되어 Trapping 되기도 함.
    • 실리콘 산화막 내의 Trapping 또는 본드 파괴는 산화막 전하와 계면 전하를 생성하고 캐리어의 이동도(Mobility)의 감소.
    • 문턱전압(Threshold Voltage)이 증가, 트랜스 컨덕턴스(Transconductance)와 드레인 전류(Drain Current)가 감소하여 소자 성능이 감소.
    • 위 세 가지 변수들의 변화율을 Stress 시간에 따라 측정되고 동작 전압에서의 Lifetime을 추출.

    NBTI(Negative Bias Temperature Instability) Lifetime 추출

    • BTI 신뢰성 항목은 NMOS에 대한 PBTI와 PMOS에 대한 NBTI로 구분.
    • NMOS의 PBTI 보다는 PMOS의 NBTI 열화가 더 크기 때문에 NBTI 신뢰성이 주로 평가됨.
    • PMOS에서 발생하는 Negative Bias Temperature Instability(NBTI) 현상은 중요한 신뢰성 문제 가운데 하나이지만
      아직까지 NBTI의 물리적 특성은 완전히 이해되고 있지 않음.
    • 일반적으로 NBTI는 전기-화학적 반응에 의해서 제어되는 것으로 보고됨.
    • PMOSFET 채널의 홀이 실리콘/실리콘 산화막(Si/SiO2) 계면에서 실리콘화합물(Si-H, Si-D etc.)과 반응하여,
      도너(Donor) 형태의 Interface State와 양 고정 전하(Positive Fixed Charge) 생성.
    • 소자의 열화를 발생시키는 전기-화학 반응은 게이트 수직 전기장과 스트레스 온도에 크게 의존하여 NBTI 평가는 고온에서 실시.
    • NBTI 스트레스에 의한 Interface State의 생성과 양 고정 전하의 형성은 문턱전압(VT)의 증가를 초래.
    • 따라서 문턱전압의 변화는 NBTI Stress에 의한 MOSFET의 열화를 추적하는데 가장 일반적으로 사용되는 소자 변수임.

    TDDB(Time Dependent Dielectric Breakdown) Lifetime 추출

    • MOSFET이나 캐패시터(Capacitor)의 특성을 결정짓는 핵심 물질인 절연막(Dielectric)의 신뢰성은
      소자의 개발을 진행함에 있어서 매우 중요한 항목.
    • 절연막의 신뢰성이 확보되지 않는다면 소자나 캐패시터를 만드는 것은 의미가 없음.
    • 절연막의 신뢰성을 예측하기 위한 Time Dependent Dielectric Breakdown(TDDB) 분석은 중요한 신뢰성 항목 가운데 하나임.
    • MOS 게이트 산화막이 점점 얇아짐에 따라 산화막 파괴(Oxide Breakdown)가 신뢰성에 큰 영향을 미침.
    • 고유전체 박막(High-k Dielectric)이 게이트 절연막이나 캐패시터의 절연막으로 사용되면서 TDDB 신뢰성은 더욱 중요해졌음.

    일정한 전압을 지속적으로 인가하는 경우에 시간에 따른 게이트 전류 변화량. 초기에는 홀 포획(Hole Trapping)에 의해 게이트 전류가 증가하며, 이후 전자 포획(Electron Trapping)에 의해 전류가 감소하다가 Breakdown이 발생함. [출처 : Journal of Applied Physics, Vol. 85, No. 11, 1 June 1999]

    시험 가능 소자 및 제품

    • 반도체 소자(Si MOSFET, III-V MOSFET, Power MOSFET, etc..)
    • 캐패시터(Discrete Capacitor, 3-D Capacitor, etc..)
    • 저항
    • 인덕터
    • 바이오 소자/센서
    • MEMS 소자/센서
    

    노이즈 시험/분석

    저주파 노이즈란?

    • MOSFET 소자는 디지털 회로 뿐만 아니라 RF 및 아날로그 회로에서도 많이 사용되고 있음.
    • 스마트폰과 같은 휴대용 기기의 발전에 따라 아날로그 및 RF 회로의 비중이 증가.
    • 이에 따라 MOSFET 소자나 BJT(Bipolar Junction Transistor) 등과 같은 능동소자 뿐만 아니라 저항, 캐패시터 등과 같은
      수동 소자의 아날로그 특성이 매우 중요해지고 있음.
    • 특히 MOSFET 소자와 저항인 경우에는 아날로그 회로의 정밀도가 증가함에 따라 저주파 노이즈 특성이 매우 중요해졌음.
    • 저주파 노이즈란 보통 100 kHz 이하의 주파수에서 발생하는 노이즈를 의미함.
    • 저주파 노이즈는 크게 Flicker Noise(1/f Noise)와 RTS(Random Telegraph Signal) Noise로 구분.
    • Flicker Noise인 경우에는 아래 왼쪽 그림과 같이 주파수에 따라 PSD(Power Spectral Density)가 1/f의 의존성으로 감소하며,
      RTS Noise는 오른쪽 그림과 같이 1/f2의 크기로 감소하는 특성을 나타냄.

    저주파 노이즈 특성 평가의 필요성

    • Flicker Noise에 의한 노이즈 전류, IN은 일반적으로 아래의 식 (1)과 같이 전류 노이즈의 Power Spectral Density,
      SID와 주파수 대역(Bandwidth, BW)의 함수로 표현됨.
    • 예를 들어 아래 그림과 같이 아날로그 저항에서 SID를 적게 잡아 10-18 A2/Hz라고 하고 주파수 대역을 10 kHz라고 하면
      노이즈 전류, IN은 식 (1)을 이용하여 계산하면 100 nA 발생으로 계산됨.
    • 만약 입력 전류 또는 센서의 신호의 크기가 100 nA보다 작다면 센서의 신호는 노이즈 전류에 묻혀서 평가가 불가능하게 됨.
    • 센서의 크기가 100 nA보다 크다고 하더라도 100 nA 만큼의 오차를 갖고 있는 것이 되기 때문에 신호의 정확한 평가가 어려움.
    • 따라서 소자나 센서의 Flicker Noise는 정확하게 평가되어야 하며, 정확한 Flicker Noise 수준을 파악해야 소자나 센서의 Flicker Noise를
      낮추는 방법을 강구할 수 있음.
    • 저주파 노이즈는 정확하게 시험 평가되는 것이 매우 중요함.
    • 하지만 일반적인 측정 환경에서는 소자나 Chip 또는 센서가 갖고 있는 저주파 노이즈 특성 외에 외부 환경에서 발생된 노이즈가 추가되어
      정확한 평가가 불가능.
    • 아래 그림과 같이 외부 노이즈가 완벽하게 차단되는 차폐룸(Shielding Room) 안에서 저주파 노이즈를 평가하는 것이 매우 중요.
      자사는 이러한 차폐룸을 보유하고 있어서 정확한 저주파 노이즈의 시험 평가가 가능함.

    시험 분석 분야

    Flicker Noise(1/f Noise) 측정 및 평가

    • MOSFET 소자나 저항(Resistor)의 저주파 노이즈(Low Frequency Noise) 특성은 RF 회로 및 아날로그 회로 응용에 있어 중요한 파라미터임.
    • Flicker Noise(1/f Noise)는 소자의 크기가 감소함에 따라 그 영향이 증가함.
    • Flicker Noise의 물리적 특성은 완전히 이해되고 있지 않음.
    • Flicker Noise는 일반적으로 이동도(Mobility)의 변동이나 채널 전하량(Channel Charge)의 변동성에 의해 발생하는 것으로 알려져 있음.
    • MOSFET 내 채널의 전자 또는 홀이 실리콘과 실리콘 산화막(Si/SiO2) 계면에 존재하는 트랩(Trap)에 Trapping 또는 Detrapping이 일어나거나,
      채널 내에서 격자 진동에 의해 Flicker Noise가 발생한다고 알려지고 있음.
    • MOSFET의 Flicker Noise에 의해 발생하는 전도도의 변화는 RF 및 아날로그 회로 동작의 오작동 및 전력소모에 심각한 영향을 끼침.
    • 최근에는 MOSFET 외에 저항, 바이오 센서 등과 같이 신호의 크기가 작은 아날로그 동작을 하는 경우에도
      저주파 노이즈 특성이 매우 중요하게 대두되고 있음.
    • 따라서 저주파 노이즈 특성의 정확한 평가가 매우 중요.

    RTS(Random Telegraph Signal) Noise 측정 및 평가

    • RTS Noise는 Channel 내의 전자 또는 정공 하나가 Oxide 내에 Trapping 또는 Detrapping 되면서 발생하는 노이즈.
    • RTS Noise의 주파수의 특성은 아래 그림과 같이 Flicker Noise와 유사한 특성으로 생각될 수 있지만, Flicker Noise와 달리 주파수에 따라 1/f2으로 감소.
    • RTS Noise는 시간 축에서 아래 그림과 같이 드레인 전류가 Discrete한 두 개의 Level을 반복적으로 나타내는 특성을 나타냄.
    • 이러한 두 Level 사이의 Fluctuation 특성이 Audio CODEC과 같은 회로에 사용되는 소자에서 발생하는 경우
      소리가 갑자기 커지거나 감소하는 현상이 발생하여 RTS Noise를 Burst Noise 또는 Pop-corn 노이즈라고도 함.
    • RTS Noise는 Audio CODEC이나 OP Amp 등과 같은 증폭기와 스마트폰의 카메라에 사용되는 CMOS Image Sensor에서 매우 중요한 파라미터.
    • RTS Noise를 정확히 평가하고 RTS 발생을 감소시키는 것이 매우 중요.

    시험 가능 소자 및 제품

    • 반도체 소자(Si MOSFET, III-V MOSFET, Power MOSFET, etc..)
    • 바이오 소자/센서
    • MEMS 소자/센서
    

    고주파 특성 평가/분석

    고주파(RF) 영역에서의 측정의 필요성

    • MOSFET 소자는 지속적인 크기 감소 및 성능 증가 덕분에 디지털 회로와 아날로그 회로가 융합된 Mixed Signal 회로 및
      SOC(System On a Chip) 회로로 응용분야가 확대되고 있음.
    • 소자 성능의 향상으로 아날로그 동작 주파수가 GHz 영역의 RF 영역까지 응용범위가 확대되어 고주파 영역에서의 동작 특성의 시험 평가가 매우 중요함.
    • 아날로그 회로에서는 MOSFET 소자 외에 저항(Resistor), 캐패시터(Capacitor), 인덕터(Inductor), 버랙터(Varactor) 등의 수동소자도 많이
      쓰이기 때문에 이러한 수동소자들의 고주파 영역에서의 동작 특성 평가 역시 매우 중요.
    • 소자 및 고주파 회로들은 일반적인 측정 및 분석 방법으로는 고주파 영역에서의 특성을 정확히 해석할 수가 없으며 Two-port System을 이용하여
      RF 영역에서 측정 및 분석 필요.
    • 반도체 소자 또는 아날로그 회로로 이루어진 Two-port System은 아래 그림과 같이 두 개의 Port로
      (MOSFET을 예를 들면 Gate와 Source 사이 및 Drain과 Source 사이가 각각의 Port를 이룸) 구성됨.
    • 각 포트에는 한 개의 입력 신호와 한 개의 출력 신호로 구성되어서 전체 Two-port System은 두 개의 입력 신호와 두 개의 출력 신호로 구성.
    • 입력 아날로그 신호가 I1과 I2이고 출력 신호가 V1과 V2인 경우의 Two-port System은 Z-Parameter로 표현.
    • 입력 아날로그 신호가 V1과 V2이고 출력 신호가 I1과 I2라면 Two-port System은 Y-Parameter로 표현.
    • Z-Parameter나 Y-Parameter는 입력 아날로그 신호가 100 % 모두 Two-port System에 전달되는 경우에 해당하는 파라미터임.
    • 실제 입력 아날로그 신호의 주파수가 100 MHz 대역 이상이 되면 입력 아날로그 신호의 크기가 모두 Two-port System의 입력 단에 들어가지 못하고
      아래 오른쪽 그림과 같이 입력단에서 반사(Reflection)되어 나오는 신호가 발생하는 고주파 특성 발생.
    • 즉, 아날로그 입력 신호가 전류든 전압이든 상관없이 가해진 신호의 크기가 모두 전달되지 않기 때문에 일반적인 Z-Parameter나
      Y-Parameter로 Two-port System 해석 불가능.
    • 고주파 현상이 나타나는 경우에는 Network Analyzer를 이용하여 S-Parameter 추출 필요.
    • 반도체 소자나 반도체 Chip, RF 회로 등을 제대로 평가하기 위해서는 Network Analyzer 및 고주파 영역에서의 측정을 위한 Test Pattern 기술 필요

    시험 분석 분야

    반도체 소자의 고주파 특성 측정 및 분석

    • MOSFET 소자나 저항(Resistor), 캐패시터(Capacitor), 버랙터(Varactor), 인덕터(Inductor)의 고주파 특성에 대한 시험 평가를 위해서는
      아래 그림과 같은 GSG type의 Test Pattern필요.
    • S-Parameter를 측정한 후 H-Parameter로 변환하여 RF 영역에서의 주요 파라미터인 Cutoff Frequency(fT) 추출.
    • 소자에 대한 RF 영역에서의 Modeling을 진행.

    시험 가능 소자 및 제품

    • 반도체 소자(Si MOSFET, III-V MOSFET, Power MOSFET, etc..)
    • 캐패시터(Discrete capacitor, 3-D capacitor, etc..)
    • 저항
    • 인덕터
    • 바이오 소자/센서의 RF 특성
    • MEMS 소자/센서의 RF 특성
    

    메모리 소자 특성 평가/분석

    • 메모리 반도체는 다양한 기능을 갖는 비메모리 반도체와 달리 데이터를 저장하고 저장된 데이터를 읽는 기능을 수행하는 반도체.
    • 저장된 데이터를 오랫동안 보존할 수 있는 특성(Retention 특성)과 데이터를 자주 쓰고 지우고 하더라도 메모리 반도체의 기능이
      계속 유지되는 특성(Endurance 특성)이 모두 우수해야 함.
    • 메모리 반도체에서는 Retention 특성과 Endurance 특성을 정확히 평가하고 이러한 특성이 Spec을 만족시키지 못하는 경우
      그 원인을 정확히 파악하는 것이 매우 중요.

    Retention 특성 측정 분석

    • Flash Memory와 같은 메모리 소자는 저장된 데이터가 얼마나 오랫동안 보존되는 지가 매우 중요한 파라미터.
    • Retention 시간에 따른 소자 파라미터의 변화의 분석 가능.

    Endurance 특성 측정 분석

    • 메모리 소자는 그 특성상 같은 셀에서 데이터를 저장하거나 지우는 일이 반복적으로 발생.
    • 반복적인 데이터 저장 및 삭제에 의해서 소자의 특성이 얼마나 열화가 일어나는지 Endurance 특성분석.
    • Flash Memory인 경우에는 데이터 저장 시 소자 특성에 열화를 초래할 수 있는 Hot Carrier를 이용하므로 Endurance 특성의 정확한 분석이 매우 필요.

    시험 가능 소자 및 제품

    • 메모리 소자
    • DRAM 소자
    • Flash Memory 소자
    • Embedded Memory 소자
    

    소자의 Self-heating 평가/분석

    Self-heating 이란?

    • Self-heating이란 소자의 동작 중에 소자 내부에서 발생하는 전력손실로 인해 소자 내부의 온도가 상승하는 현상.
    • 소자의 동작 전압이 크거나 구동 전류가 큰 경우에는 Self-heating 현상이 더 많이 발생.
    • Self-heating이 발생하는 경우 전자나 홀의 Scattering이 증가하여 전자나 홀의 이동도와 포화 속도가 감소하여 결과적으로 구동 전류 감소 초래.

    Self-heating 분석의 필요성

    • 전 세계적으로 이슈가 되고 있는 에너지 절감 관점에서 볼 때 전력 효율이 높은 전력 소자의 개발 필요.
    • 전력 소자의 경우 높은 전류 밀도 또는 높은 구동전압을 갖기 때문에 소자가 동작 상태에서 Self-heating 현상으로 인해 소자의 구동전류 감소 발생.
    • 고전류 응용을 위한 전력 소자의 경우 넓은 면적이 필요하게 되고 이에 따른 Self-heating 현상은 더욱 심화.
    • SOI(Silicon On Insulator) 소자, SOS(Silicon On Sapphire) 소자는 발생된 열이 잘 빠져나가지 못해서 Self-heating 현상이 매우 발생.

    Self-heating에 의한 문제점은 다음과 같음

    • 구동 전류 감소.
    • Carrier Mobility가 감소.
    • 드레인 Transconductance와 Speed가 감소.
    • 소자 신뢰성 특성 저하.
    • 소자 동작 특성의 정확한 Modeling 불가능.

    시험 가능 소자 및 제품

    • MOSFET Device
    • Power Device
    • High Current Device
    • High Voltage Device
    • Heterojunction Device
    • SOI/SOS Device
    • Wire and Interconnection
    

    다양한 평가 분석 서비스

    고온에서의 다양한 전기적 특성 분석

    • 고온에서의 다양한 전기적 특성 분석 ( ~ 200 ℃)
    • 온도에 따른 소자 및 센서의 특성 변화 분석

    저온에서의 다양한 전기적 특성 분석

    • 저온에서의 다양한 전기적 특성 분석 (~ 100 K)
    • 온도 감소에 따른 소자 및 센서의 특성 변화 분석
    • 저온에서의 저주파 노이즈 특성 분석

    Display 소자의 신뢰성 평가

    • Amorphous TFT, LTPS TFT, OLED 소자, ZnO 소자 등
    • Display 소자의 Hot Carrier 신뢰성 특성 평가
    • Display 소자의 PBTI 신뢰성 특성 평가
    • Display 소자의 Mobile Ion 특성 평가
    • Display 소자의 온도에 따른 특성 변화 평가

    배선의 신뢰성 평가

    • EM(Electro Migration) 특성 평가
    • SM(Stress Migration) 특성 평가

    환경시험

    온/습도 환경시험

    • 챔버 내부의 온도와 습도를 일정하게 제어 유지하는 장비를 사용하여 고온 고습 환경에서 센서 및 반도체 소자의 특성 변화를 평가하는 시험

    열충격 환경시험

    • 센서 및 반도체 소자에 가열과 냉각을 해주면서 급격한 온도 변화를 만들어 주고, 그에 따른 열 변형에 의한 손상 여부 정도를 평가하는 시험