반도체 신뢰성 시험(HTRB, HTGB, DTHL test)

반도체를 고온 등에서 신뢰성(수명)을 평가하는 방법으로 HTRB(High-Temperature Reliability Burn-in), HTGB(High-Temperature Gate Bias), DHTL (Dynamic High-Temperature Load)과 같은 유효한 방법들이 있다.

 

HTRB(High-Temperature Reverse Bias)

HTRB 테스트는 반도체 소자의 내구성을 평가하는 주요 시험으로 고온(보통 125°C 이상의 온도)에서 역방향 바이어스(전압)를 일정시간(수백~수천 시간)가하면서 반도체 소자의 전기적 특성(전류, 전압 등)을 측정하여 소자가 열화되었는지, 어떤 종류의 결함이 발생하였는지 평가하는 신뢰성 시험이다. 이 때 반도체 소자에 가해지는 전압은 최대 허용 역방향 전압을 기준으로 설정되며, 주요 지표는 누설 전류(leakage current), 파손 여부, 성능 저하 등이 포함 될 수 있다.

HTRB 테스트는 자동차, 우주항공, 통신 등 안전성과 내구성이 중요한 분야에서 필수적이며, 고온상태에서 반도체 소자는 다양한 열화 메커니즘(예: 산화, 전도성 경로 형성 등)을 겪을 수 있는데, HTRB 테스트는 이를 연구하고 예측할 수 있는 중요한 수단이다.

 

그림. Data 혹은 시험 예시(위 : HTRB, 아래 : HTGB)

HTGB(High-Temperature Gate Bias)

HTGB 시험은 소자의 Gate와 Source사이에 고온 역방향 바이어스 (High Temperature Gate Bias) 를 인가 후 누설 전류를 장시간(일반적으로 1000시간 이상) 그리고 실시간 모니터 하는 신뢰성 시험이다. HTGB 시험은 반도체 소자, 특히 MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)와 같은 트랜지스터의 신뢰성 평가를 위한 중요한 시험이며, HTGB 테스트는 고온 환경에서 게이트에 바이어스를 가해 소자의 내구성을 평가하며, 특히 전압이 지속적으로 가해질 때 발생할 수 있는 열화 현상을 확인하는 데 사용된다.

HTGB 테스트를 통해 반도체 소자의 고온 조건에서 게이트(Gate)에서의 바이어스가 계속 적용될 때 발생할 수 있는 전기적 열화 또는 소자의 파손을 평가할 수 있다. 이 테스트는 소자가 고온 상태에서 정상 작동을 계속할 수 있는지를 확인하고, 열화 메커니즘에 의한 성능 저하를 예방하는 데 중요한 정보를 제공할 수 있다.

HTGB는 일반적으로 고온 환경(대개 125°C 이상)에서 수행되며, 테스트 대상 소자(Gate 부)에 일정한 게이트 전압(Gate Bias)을 지속적으로 가하게 된다. 이 전압은 반도체 소자의 설계 규격에 맞게 설정되며, 최대 게이트 전압보다 일반적으로 조금 낮다. 이와 같이 게이트 전압이 지속적으로 적용될 때 전류와 누설 전류(leakage current)를 모니터링하는 형태로 시험이 진행된다. HTGB 테스트는 보통 수백 시간에서 수천 시간에 걸쳐 진행됩니다. 이 기간 동안 소자는 고온과 고전압 조건에서 작동하게 되며, 테스트 후, 소자의 전기적 특성을 측정하고, 누설 전류(leakage current)나 전류-전압 특성이 변화했는지 확인하고, 소자의 내부 열화나 파손 여부도 분석하여 신뢰성을 판단하게 된다. 열화된 소자는 종종 누설 전류가 증가하거나, 정상적인 스위칭 특성을 상실하는 등의 문제를 일으킬 수 있습니다.

HTGB 테스트는 특히 게이트 산화막(Gate Oxide) 열화와 관련된 문제를 평가하는 데 매우 중요하는데, 고온에서 지속적인 게이트 전압을 가하게 되면, 산화막에 스트레스가 가해져 산화막이 열화되거나 파손되어 소자의 동작에 심각한 영향을 미치게 된다. 또한, 고온 상태에서 장시간 게이트 전압을 인가하면, 게이트 산화막에 전자적 열화가 발생하여 누설 전류가 증가할 수 있는데, 이것도 소자의 성능 저하와 신뢰성 문제를 일으킬 수 있다.

그림. HTRB, HTGB Test System 예시

DHTL(Dynamic High-Temperature Life)

DHTL 테스트는 반도체 소자의 신뢰성을 평가하기 위한 시험 중 하나로, 특히 온도 변화와 부하 조건이 소자의 성능에 미치는 영향을 평가하는 데 사용된다. 이 테스트는 고온(125 °C 이상)에서 반복적인 부하(Load) 사이클을 가하면서 소자의 동작 특성과 신뢰성을 평가하는 시험으로, 소자의 내구성, 열화 및 성능 저하를 분석하는 데 중요한 역할을 할 수 있다.

DHTL 테스트는 반도체 소자가 실제 운영 환경에서 직면할 수 있는 열 및 전기적 스트레스를 시뮬레이션하여, 소자가 장기적으로 어떻게 동작할 것인지, 혹은 언제 열화나 실패가 발생할 수 있는지를 예측하려는 목적을 가진다.

DHTL 테스트에서는 고온 조건에서 반도체 소자에 일정한 전기적 부하(Load)를 지속적으로 가하는데, 이 때 소자는 열적 스트레스에 의해 성능이 변화하거나 열화될 수 있다. DHTL 테스트 중, 반도체 소자에 반복적인 부하 사이클을 적용하여 소자의 반응을 모니터링하며, 이 사이클은 소자가 실제 운영 조건에서 받게 될 전기적 및 열적 스트레스를 시뮬레이션하게 된다.

또한, 테스트 기간 동안, 소자의 전기적 특성(예: 누설 전류, 전압 강하, 전류-전압 특성 등)을 지속적으로 측정하여 열화나 성능 저하의 징후를 찾게 된다. DHTL 테스트는 일반적으로 수백 시간에서 수천 시간에 걸쳐 이루어진다.

 

HTRB, HTGB, DHTL 테스트의 차이점

HTRB 테스트는 주로 역방향 바이어스를 적용하여 반도체 소자의 내구성을 평가하는 시험이며, 주로 PN 다이오드나 LED 등에 사용된다.

HTGB 테스트는 주로 MOSFET과 같은 소자에 고온에서의 게이트 바이어스를 적용하여 게이트 산화막의 열화나 누설 전류 등을 평가하는 시험이다.

DHTL은 고온 환경에서의 반복적인 전기적 부하를 가하여 소자의 동적 내구성을 평가하는 시험이다.