반도체 기술 혁신은 이미 패키징으로 옮겨갔다

반도체 업계의 기술 혁신이 변화하고 있다. 반도체 기술의 전설로 이어왔던 ‘무어의 법칙’도 ‘황의 법칙’도 잊혀지는 전설로 기록되고 말았다. 이제는 메모리반도체 자체의 집적화 및 미세화 혁신이 아니라, 새로운 패키징과 저전력 기술 적용, 그리고 검사기술의 도입에서 혁신 솔루션을 찾고 있는 중이다.

라즈 자미(Raj Jammy) 자이스 공정제어솔루션(PCS) 사장
라즈 자미(Raj Jammy) 자이스 공정제어솔루션(PCS) 사장 (사진. 아이씨엔)

자이스(ZEISS)는 지난 1월 22일 서울 강남구 그랜드 인터콘티넨탈 호텔에서 기자간담회를 통해 최근의 반도체 기술 혁신에서 부상하고 있는 패키징에 대한 동향을 설명하고, 자이스의 첨단 반도체 패키징을 위한 3D 이미지 솔루션 제품들을 소개했다.

라즈 자미(Raj Jammy) 자이스 공정제어솔루션(PCS) 사장은 “이제 반도체 업계는 그 어느 때보다 패키지와 디바이스 특징들이 3차원적으로 작아지고 있으며, 그에 따라 패키징 수율을 끌어올릴 수 있도록 불량을 신속하게 차단할 수 있는 새로운 이미징 솔루션이 필요해졌다.”고 밝혔다. 이제까지 반도체 업계의 혁신을 이끌어 왔던 ‘황의 법칙(Hwang’s law)’이 더 이상 작동하기 힘들어졌다는 지적에 대한 답이다. 메모리반도체의 용량이 1년에 2배씩 성장한다는 삼성전자의 메모리반도체 집적도 전략인 황의 법칙은 이제 버려졌다는 것이다. 삼성전자도 지난 2017년 황의 법칙을 종료했다.

메모리반도체 자체에서의 집적도 향상을 이어가는 것이 어렵게 된 지금, 새로운 돌파구로 제시할 수 있는 분야가 패키징 분야다. 최근에는 3D 패키징 기술이 활발하게 구현되고 있다. 새로운 반도체 기술의 혁신을 패키징에서 이어가고 있는 것이다. 이러한 패키징 기술의 구현과 함께 더욱 복잡화된 패키징을 검사하는 방법에서의 혁신도 시급해 요구되고 있다. 기조의 검사시스템으로는 3D 적층 패키징을 완벽하고 빠르게 검사하는 것이 어렵기 때문이다.

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라즈 자미 자이스 공정제어솔루션 사장은 "패키징 수율을 끌어올릴 수 있도록 불량을 신속하게 차단할 수 있는 새로운 이미징 솔루션을 개발하게됐다"고 밝혔다.
라즈 자미 자이스 공정제어솔루션 사장은 “패키징 수율을 끌어올릴 수 있도록 불량을 신속하게 차단할 수 있는 새로운 이미징 솔루션을 개발하게됐다”고 밝혔다.

라즈 자미 사장은 “이러한 반도체 혁신에서의 업계 요구에 부응해서 첨단 반도체 패키징을 위한 새로운 3D 엑스레이 이미징 솔루션들을 발표하게 됐다.”고 전했다. 자이스 신제품들은 고객들이 불량 분석(failure analysis) 성공률을 더욱 높일 수 있는 강력한 고해상 툴 세트를 제공한다.

반도체 업계에서는 CMOS 공정 축소 노드가 한계선에 가까워지면서, 반도체 성능 간극을 메우는데 도움이 되는 패키징 기술이 필요해졌다. 보다 작고 빠르면서 전력소모도 적은 반도체 생산을 지속하기 위해, 반도체 업계에서는 칩을 3D로 적층하는 방식이나 그 밖에 다른 혁신적인 방식의 패키징 기법으로 전환하는 추세다. 이는 패키지 구조를 점점 더 복잡하게 만들고 제조상의 새로운 과제들을 배출할 뿐 아니라 패키지 불량의 가능성도 높인다. 게다가 불량이 발생하는 물리적 위치가 이처럼 복잡한 3D 구조 안에 묻혀 있는 경우도 많기 때문에, 불량의 위치를 시각화하기 위한 기존의 기법들은 점점 더 효과가 떨어지는 추세다. 따라서, 이러한 첨단 패키징에서 불량의 근원을 효과적으로 차단하고 확인할 수 있는 새로운 기술이 필요하다.

자이스는 “이러한 요구 사항들을 충족하기 위해 첨단 3D 패키지의 온전한 구조 안에 담겨 있는 기능과 결함을 서브마이크론 및 나노급 3D 이미지로 보여줄 수 있는 새로운 3D 엑스레이 이미징 솔루션을 개발했다.”는 것.

새로운 솔루션의 원리는 간결하다. 먼저 샘플을 회전하여 서로 다른 각도의 다양한 2D 엑스레이 이미지들을 캡처한다. 그리고, 정교한 수학적 모델과 알고리즘을 사용하여 3D 입체 모양을 재구성하는 것이다. 무수히 많은 각도에서 이 3D 입체의 가상 단면을 살펴볼 수 있기 때문에, 물리적 불량분석(PFA)을 시도하기 전에 비파괴 방식으로 불량의 위치를 확인할 수 있는 이점을 제공한다.

3D 엑스레이 기술 이점
기존의 2D 엑스레이 현미경에서 찾지 못했던 반도체 패키지의 불량분석이 3D 엑스레이 기술 도입을 통해 가능해 졌다.

자이스의 새로운 서브마이크론 및 나노급 XRM 솔루션을 조합해 사용하면 자이스 특유의 FA 작업 흐름을 통해 FA 성공률을 크게 높일 수 있다. 자이스의 새로운 엑스레디아 콘텍스트 마이크로CT(Xradia Context microCT)는 프로젝션 기반의 기하학적 확대 기술을 활용하여 넓은 시야각에서 높은 콘트라스트와 해상도를 제공할 뿐 아니라, 엑스레디아 버사로 완벽하게 업그레이드가 가능하다.

자이스는 세미콘코리아 2019 전시회 개막일에 맞춰 새로운 신제품인 첨단 반도체 패키징 검사시스템 제품들을 릴리스했다. 물론 글로벌 릴리스 시각이다. 그만큼 한국 반도체 시장에 큰 의미를 두고 있다는 반증이기도 하다. 세미콘코리아 전시 기간 내내 전시부스에는 자이스 신제품 솔루션들에 대한 관람객들의 이목이 집중됐다.

이날 새롭게 발표된 자이스 시스템에는 각각 서브마이크론과 나노급 패키지 FA 작업에 사용되는 엑스레디아 600 시리즈 버사(Xradia 600-series Versa)와 엑스레디아 800 울트라 엑스레이 현미경(XRM), 그리고 새로운 엑스레디아 콘텍스트 마이크로CT(Xradia Context microCT)가 포함된다. 기존 제품군에 이들 신제품을 추가함으로써, 자이스는 이제 반도체 산업을 위한 가장 방대한 3D 엑스레이 이미징 기술 포트폴리오를 제공하게 됐다.

새로운 엑스레디아 600 시리즈 버사는 온전한 반도체 패키지 내부의 국부적인 결함을 비파괴 방식으로 시각화하기 위한 차세대 3D XRM 장비이다. 신제품은 공정 개발, 수율 개선, 구조 분석을 위한 구조적 및 FA 애플리케이션에서 탁월한 성능을 나타낸다. 이 장비는 일반적인 범프나 마이크로범프의 균열이나 솔더 웨팅 (solder wetting) 문제, 또는 TSV(Through Silicon Via) 보이드 같은 패키지 레벨의 불량과 관련된 결함을 눈으로 쉽게 확인할 수 있게 해준다. PFA (Physical Failure Analysis)를 시도하기 전에, 이처럼 결함을 3D로 시각화하면 인공결함(artifact)을 줄이고 단면 방향을 지정할 수 있어, 궁극적으로 FA 성공률을 높일 수 있다.

엑스레디아 800 울트라는 나노급 영역에 대한 3D XRM을 지원해 패키지에 묻힌 기능들의 이미지를 나노 크기의 공간 분해능으로 생성하면서, 확인하고자 하는 영역의 볼륨 무결성을 보존한다. 이 장비는 초미세 피치의 플립칩 및 범프 연결의 공정 분석, 구조 분석, 결함 분석에 활용되어 초미세 피치 패키지와 BEOL(back-end-of-line)의 공정을 향상시킬 수 있다. 엑스레디아 800 울트라는 미세피치 코퍼 필라 마이크로범프(copper pillar microbump) 안의 금속간 화합물이 소비하는 솔더의 텍스처와 부피를 시각화 할 수도 있다. 시각화 하는 동안 결함 부분은 그대로 보존되기 때문에, 다양한 기법들을 동원한 후속 분석이 가능하다. 웨이퍼-대-웨이퍼 본딩 인터커넥트나 다이렉트 하이브리드 본딩 같은 블라인드 어셈블리의 구조 품질도 3D로 특성화 할 수 있다.

엑스레디아 콘텍스트 마이크로CT는 버사 플랫폼을 기반으로 한 새로운 서브마이크론 분해능 3D 엑스레이 마이크로CT 시스템이다. 신제품은 근거리에서 고효율로 패키지에 대한 고해상 이미징 검사를 수행할 수 있도록 설계됐다. 이 솔루션은 대형 샘플의 전체 필드 이미징을 위한 넓은 시야각(기존 엑스레디아 버사 XRM 시스템보다 10배 더 큰 볼륨)과 작은 픽셀 크기에 고속 6메가픽셀 밀도를 지원하는 감지기가 비교적 넓은 시야각에서도 높은 분해능을 유지한다.

오승모 기자 oseam@icnweb.co.kr

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