반도체 수율, 의미와 계산 방법을 한 번에 정리

사과 과수원에서 한 해 농사의 성적은 열린 사과의 수보다 상자에 담아 팔 수 있는 사과의 수로 매겨집니다. 벌레 먹거나 흠집 난 사과, 크기가 모자란 사과를 골라내고 나면 실제로 손에 쥐는 수확은 생각보다 줄어들죠. 같은 나무에서 상품이 되는 사과를 얼마나 많이 거두느냐가 농부의 실력입니다.

반도체 공장도 마찬가지입니다. 웨이퍼 한 장에 칩이 수백 개 만들어져도, 실제로 팔 수 있는 칩이 몇 개인지가 중요하죠. 이 비율을 반도체 수율이라고 부릅니다. 이 글에서는 수율이 무엇이고, 단계별로 어떻게 계산하며, 칩 크기와 결함이 수율에 어떤 영향을 주는지 숫자와 함께 정리합니다.

반도체 수율이란 무엇인가

수율(Yield)은 투입한 것 가운데 양품으로 나온 것의 비율입니다. 반도체에서는 웨이퍼 한 장에서 만들 수 있는 전체 칩 가운데 모든 검사를 통과한 칩의 비율을 가장 흔히 말하죠. 예를 들어 웨이퍼 한 장에 칩이 600개 만들어지고 그중 540개가 양품이면 수율은 90%입니다.

수율은 하나의 숫자처럼 보이지만, 실제로는 여러 단계의 수율이 곱해진 결과입니다. 웨이퍼가 공정을 무사히 통과하는 비율, 웨이퍼 위 칩이 전기 검사를 통과하는 비율, 패키징과 최종 테스트를 통과하는 비율이 모두 곱해져 최종 수율이 되죠.

수율이 곧 원가인 이유

웨이퍼 한 장을 가공하는 데 드는 비용은 그 위에서 몇 개의 양품이 나오든 거의 같습니다. 그래서 양품이 많이 나올수록 칩 하나당 원가가 내려가죠. 웨이퍼 한 장의 가공비가 같을 때 수율이 50%에서 90%로 오르면, 칩 하나의 원가는 절반 가까이 떨어집니다.

최첨단 공정일수록 웨이퍼 가공비가 매우 비싸서, 수율이 몇 % 차이만 나도 수익성이 크게 달라집니다. 또 수율이 낮으면 계획한 물량을 공급하지 못해 고객의 신뢰를 잃게 되죠. 그래서 새 공정을 개발할 때 가장 먼저 확인하는 지표 가운데 하나가 수율입니다.

단계별 수율과 계산 방법

예를 들어 라인 수율 98%, 다이 수율 90%, 패키징 수율 99%, 최종 테스트 수율 97%라면 종합 수율은 0.98 × 0.90 × 0.99 × 0.97로 약 84.7%입니다. 각 단계가 모두 90%를 넘어도 곱하면 꽤 낮아지죠. 그래서 어느 한 단계의 작은 손실도 가볍게 볼 수 없습니다.

웨이퍼 한 장의 칩 수

다이 수율을 계산하려면 먼저 웨이퍼 한 장에 칩이 몇 개 들어가는지 알아야 합니다. 원 안에 네모를 채우면 가장자리에 온전하지 않은 칩이 생기기 때문에, 흔히 다음 근사식을 씁니다.

지름 300mm 웨이퍼에 면적 100mm²(10mm × 10mm) 칩을 만든다면, 앞항은 약 706.9, 뒷항은 약 66.6이라 웨이퍼 한 장에 약 640개의 칩이 들어갑니다.

칩 크기와 결함 밀도의 관계

웨이퍼 위에는 일정한 확률로 결함이 흩어져 있습니다. 결함이 무작위로 퍼져 있다고 가정하면, 다이 수율은 단위 면적당 결함 수인 결함 밀도(D₀)와 칩 면적(A)으로 근사할 수 있죠. 가장 단순한 모델이 푸아송 모델입니다.

앞의 예에 이 값을 적용해 보겠습니다. 면적 1cm² 칩은 웨이퍼당 약 640개 중 약 90.5%인 약 579개가 양품입니다. 면적을 2cm²로 두 배 키우면 웨이퍼당 칩 수는 약 306개로 줄고, 수율도 약 81.9%로 떨어져 양품은 약 250개가 되죠. 칩 크기는 두 배인데 양품 수는 절반보다 더 줄어듭니다.

흔히 칩이 커지면 양품 수도 크기에 비례해서만 줄어든다고 생각하지만, 실제로는 칩 수 감소와 수율 하락이 겹쳐 손해가 더 커집니다. 큰 칩을 작은 칩렛으로 나누는 전략이 나온 배경도 여기에 있죠. 실제 공장에서는 결함이 뭉쳐서 생기는 경향을 반영한 머피 모델이나 음이항 모델 같은 더 정교한 모델도 함께 씁니다.

수율이 산업에서 갖는 의미

새 공정은 처음에는 수율이 낮다가, 원인을 하나씩 찾아 고치면서 점차 올라갑니다. 이 과정을 수율 향상, 또는 수율 램프업이라고 부르죠. 수율이 목표 수준에 얼마나 빨리 도달하느냐가 새 공정의 사업 성패를 가릅니다.

반도체 수율은 공정 기술, 설계, 장비, 소재, 클린룸 관리가 모두 얽힌 종합 성적표입니다. 그래서 수율 분석은 웨이퍼 테스트 데이터와 공정 데이터를 함께 읽어 원인을 찾아내는 별도의 전문 직무로 자리 잡았죠. 메모리처럼 예비 회로로 불량을 고치는 수리 기술도 수율을 끌어올리는 중요한 수단입니다.

수율 종류 비교 표

구분	계산 기준	주요 손실 원인
라인 수율	통과 웨이퍼 ÷ 투입 웨이퍼	웨이퍼 파손, 공정 사고, 폐기
다이 수율	양품 칩 ÷ 웨이퍼 위 전체 칩	입자 결함, 공정 편차, 설계 취약점
패키징 수율	조립 양품 ÷ 투입 칩	칩 깨짐, 접합 불량, 휨
최종 테스트 수율	최종 양품 ÷ 패키징된 칩	속도·전력 사양 미달, 패키징 중 손상
종합 수율	각 단계 수율의 곱	모든 단계의 손실 누적

핵심 정리

반도체 수율은 투입한 것 가운데 양품으로 나온 비율이며, 라인 수율, 다이 수율, 패키징 수율, 최종 테스트 수율을 곱한 값이 종합 수율입니다. 웨이퍼 가공비가 거의 고정이라 수율이 곧 칩 원가를 좌우하죠. 결함 밀도와 칩 면적으로 다이 수율을 근사하는 푸아송 모델을 보면, 칩이 커질수록 양품 수가 크기 비율보다 더 빠르게 줄어든다는 점을 알 수 있습니다.

과수원의 성적이 팔 수 있는 사과로 매겨지듯, 공장의 성적은 팔 수 있는 칩으로 매겨집니다. 수율 숫자를 볼 때 그것이 어느 단계의 수율인지, 칩 크기는 얼마인지 함께 확인하면 숫자 뒤의 실제 의미를 훨씬 정확하게 읽을 수 있습니다.

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