五位半導(dǎo)體行業(yè)專家對芯片缺陷分析

在圓桌會議上，半導(dǎo)體工程專家們就“半導(dǎo)體和封裝技術(shù)日益增加的復(fù)雜性將如何推動故障分析方法的轉(zhuǎn)變”展開了討論，討論嘉賓包括Bruker Nano Surfaces&Metrology應(yīng)用與產(chǎn)品管理主管Frank Chen、Onto Innovation企業(yè)業(yè)務(wù)部產(chǎn)品管理主管Mike McIntyre、Teradyne的ASIC可靠性工程師Kamran Hakim、賽默飛世爾科技高級產(chǎn)品專家Jake Jensen以及賽默飛世爾科技高級營銷經(jīng)理Paul Kirby。以下是這場討論的精彩摘錄。

[從左到右]泰瑞達(dá)的ASIC可靠性工程師Kamran Hakim；布魯克納米表面儀器部的應(yīng)用與產(chǎn)品管理主管Frank Chen；Onto Innovation的企業(yè)業(yè)務(wù)部產(chǎn)品管理主管Mike McIntyre；賽默飛世爾科技高級營銷經(jīng)理Paul Kirby以及賽默飛世爾科技高級產(chǎn)品專家Jake Jensen。

SE：在高級封裝中，故障分析存在哪些挑戰(zhàn)？

Chen：隨著封裝尺寸的縮小，封裝方面故障分析的挑戰(zhàn)也隨之而來。特別是當(dāng)采用混合鍵合時(shí)，這時(shí)就需要采用高分辨率技術(shù)。目前來說，提供微米級分辨率并不是什么挑戰(zhàn)，但是要在高覆蓋率和高采樣率的情況下做到這一點(diǎn)就變成了一個(gè)挑戰(zhàn)。設(shè)備制造商一直在努力研發(fā)一種工具，但這就目前的進(jìn)展來看，實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)可能需要兩個(gè)不同的工具共同完成。在前端非常常見的情況是，我們通常需要一個(gè)具有高速且有良好覆蓋率的檢測工具來確定需要排查的區(qū)域和故障分析工具。但是設(shè)備制造商已經(jīng)意識到，他們無法研發(fā)出一個(gè)在保證同時(shí)擁有高密度和高采樣率的前提下，來保證設(shè)備的質(zhì)量。因此，對于先進(jìn)封裝，他們可能開始使用兩個(gè)不同的工具集。目前，我們正在為組裝工藝提供具有完全覆蓋的高速檢測能力，并增加了機(jī)器學(xué)習(xí)以支持該分析。

SE：就您的結(jié)論來看，我們現(xiàn)在似乎正處于先進(jìn)封裝采用晶圓制造中工作流程轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

Kirby：絕對沒有任何一種工具可以包打天下，因?yàn)槲覀兯婕暗拈L度尺度的跨度是巨大的，這是我們遇到的另一個(gè)挑戰(zhàn)。當(dāng)試圖查找非常小的缺陷時(shí)，例如裂紋，但要在數(shù)毫米的區(qū)域內(nèi)查找，所謂尺有所長，寸有所短；另一個(gè)方面是破壞性與非破壞性。試想有這樣一個(gè)情況，在一個(gè)設(shè)計(jì)公司之中，我們流片了一種非常昂貴的封裝。如果可以避免，那么我們不希望進(jìn)行大量的破壞性定位來分析其故障。雖說在芯片生產(chǎn)中，有時(shí)必須這樣做，但是在工作流程中，我們還是必須盡可能推遲這種破壞性分析的發(fā)生。

SE：那么我們可以進(jìn)行哪些類型的檢測呢？

Chen：當(dāng)進(jìn)行倒裝芯片鍵合和熱壓鍵合時(shí)，現(xiàn)在有一種很好的直列式X射線計(jì)量解決方案。但是，當(dāng)在采用混合鍵合時(shí)，目前其實(shí)際的效果存在一定的差距。我們需要一種足夠高速且能夠有非常大的范圍覆蓋的工具。對于混合鍵合來說，高采樣率仍然非常普遍。目前，我們正在研究利用銅的金屬化來確保混合鍵合表面潔凈的技術(shù)。對于RDL（Re-distributed layer，重布線層），隨著我們獲得亞微米線長度和間距，已經(jīng)開始看到光學(xué)檢測的一些局限性。因此，我們確實(shí)需要研究一些足夠快的技巧。就現(xiàn)在來說，所有故障分析工具都已經(jīng)存在。沒有人會質(zhì)疑我們可以在慢速下進(jìn)行非常高分辨率的檢測，但問題是您可以在數(shù)毫米長度的“大尺度”上做什么。

Jensen：我完全同意。先進(jìn)封裝是半導(dǎo)體中最獨(dú)特的領(lǐng)域之一。對于這種類型的故障分析，我們需要跨越至少六個(gè)數(shù)量級。我們將從毫米級到潛在的納米級尺寸的缺陷。因此，對于失效分析（FA），我們可能需要制作毫米級尺寸的橫截面。然后在成像方面，我們需要掃描電子顯微鏡（SEM）的分辨率來定位微小缺陷來標(biāo)出我們需要重點(diǎn)關(guān)注的區(qū)域中的這些缺陷。

Kirby：人們采用了多種方法，每種方法都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。我們看到越來越多的人使用鎖相熱成像技術(shù)。來自熱特征的z軸分辨率將為我們提供一個(gè)好的指標(biāo)，以指示缺陷在哪里。然后，通過使用激光、聚焦離子束(FIB)，我們就可以進(jìn)行橫截面切割并觀察這些互連結(jié)構(gòu)。

Jensen：在物理失效分析方面，我們使用雙束掃描電子顯微鏡(SEM)儀器。一旦我們定位到缺陷，我們需要及時(shí)地標(biāo)記它。但更重要的是，我們需要以穩(wěn)健的方式在特定位置進(jìn)行此操作。這些缺陷可能是獨(dú)一無二的，因此我們不能錯過它們。想象一下，僅僅對某些東西進(jìn)行銑削。如果我們沒有發(fā)現(xiàn)缺陷，我們就會浪費(fèi)時(shí)間。如果我們的操作過度，那就會更糟糕，因?yàn)槲覀兪チ巳毕?，因此正確的x、y、z三維定位是至關(guān)重要的。

SE：如果你只看器件的封裝部分，你會發(fā)現(xiàn)有不同的層——從芯片到襯底的結(jié)合，從芯片到基板的鍵合，再到另一組凸塊的RDL（重布線層）水平。那么，在考慮工作流時(shí)，有哪些與材料相關(guān)的因素需要考慮嗎？

Kirby：當(dāng)然。材料的內(nèi)在稟賦差異很大。無論我們用不同波長的激光轟擊它們，還是用不同種類的離子進(jìn)行銑削，都需要非常仔細(xì)地考慮這一點(diǎn)如何優(yōu)化，并確保我們的解決方法是正確的，我們不能對這些需要銑削的各種材料造成損害。在過去幾年中，我們已經(jīng)看到客戶對TSVs（矽通孔）進(jìn)行橫截面或?qū)蔷€銑削，然后在這些TSVs和封裝結(jié)構(gòu)上進(jìn)行掃描電子顯微鏡計(jì)量，以便能夠發(fā)現(xiàn)并屏蔽這些系統(tǒng)缺陷。

McIntyre：我想補(bǔ)充一點(diǎn)，我們需要將一百多個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，而不是一兩個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為報(bào)告，在這之中的數(shù)據(jù)量是十分巨大的。我們現(xiàn)在看到，一個(gè)晶圓的生產(chǎn)檢查和計(jì)量層可以產(chǎn)生高達(dá)10千兆字節(jié)的數(shù)據(jù)，這相當(dāng)于2億個(gè)凸塊和十幾個(gè)計(jì)量點(diǎn)，再加上缺陷和成像。數(shù)據(jù)量令人震驚。如果我們能夠從一臺好的SEM/TEM（TEM，透射電子顯微鏡）獲得相同水平的數(shù)據(jù)，并將其傳輸?shù)轿覀兛梢耘c之關(guān)聯(lián)的分析數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，然后與測試結(jié)果聯(lián)系起來，那將是我夢寐以求的。

SE：先進(jìn)CMOS工藝的失效分析的挑戰(zhàn)是什么？

Kirby：我們已經(jīng)看到finFET和全柵極技術(shù)的轉(zhuǎn)變推動了透射電子顯微鏡（TEM）樣本量的急劇增加。我們估計(jì)TEM樣本量每五年就會翻一番。這主要?dú)w因于兩點(diǎn)。一是縮小設(shè)備特征使得需要更好的分辨率技術(shù)。二是隨著3D柵極結(jié)構(gòu)的日益普及和復(fù)雜性，TEM分析變得越來越有價(jià)值。我們看到無論是存儲器還是邏輯細(xì)分領(lǐng)域都推動著越來越多的失效分析樣本。在邏輯領(lǐng)域，由于缺陷可能只有納米寬，因此需要更好的分辨率。一旦定位缺陷，接下來制作樣品才能進(jìn)行良好的失效分析。但是，缺陷可能被3D結(jié)構(gòu)和周圍的金屬掩蓋。因此，要能夠在三個(gè)維度上隔離缺陷，然后正確地分析和表征它，這是一項(xiàng)非常復(fù)雜的挑戰(zhàn)。在存儲器（DRAM或3D NAND）中，挑戰(zhàn)更多地在于縱橫比，這些縱橫比變得越來越高。與這些結(jié)構(gòu)的蝕刻和填充以及堆疊相關(guān)的缺陷變得更加困難。我們需要橫截面分析和平面視圖分析才能深入觀察器件的結(jié)構(gòu)，包括頂部和底部視圖。

McIntyre：很多討論都涉及隨機(jī)缺陷。在我的很多制造經(jīng)驗(yàn)中都與系統(tǒng)性的問題有關(guān)——例如，你的金屬線稍微變薄，或者橫截面稍微偏離——這些問題會引發(fā)故障機(jī)制。因此，這不是一個(gè)單點(diǎn)故障，隨著這些系統(tǒng)變得越來越復(fù)雜，在功能邊界框中你最終會創(chuàng)建越來越多的角落。我們所談?wù)摰某叨群芸赡芫褪菃卧訉拥某叨?。這種系統(tǒng)性的問題會在給定一定條件的情況下造成功能上的差異。然后，推斷出當(dāng)你開始制造一個(gè)芯片時(shí)，你會期望滿足更廣泛的應(yīng)用場景。例如，同一款CPU會用于筆記本電腦、服務(wù)器和臺式機(jī)。這些是不同的環(huán)境，相同的物理結(jié)構(gòu)可能只適用于其中一種環(huán)境。從分析的角度來看，也需要理解這種系統(tǒng)性的損失。

Hakim：我擔(dān)憂的一件事情是，如果你從現(xiàn)在起展望10年后，我們計(jì)劃進(jìn)入亞納米技術(shù)。在未來10年里，我們計(jì)劃如何應(yīng)對0.7納米？因?yàn)楝F(xiàn)在你將它們放入3D結(jié)構(gòu)中，這會指數(shù)級增加與設(shè)備相關(guān)的問題。

Kirby：實(shí)際分析層面的挑戰(zhàn)是可以應(yīng)對的。現(xiàn)在的透射電子顯微鏡（TEM）圖像可以得到亞埃級分辨率，目前所有的挑戰(zhàn)都在于定位缺陷，制作一個(gè)在3D空間中捕捉缺陷的樣本。，這就是需要端點(diǎn)和更多自動化的時(shí)候，因?yàn)槿毕輸?shù)量和設(shè)備類型會因設(shè)計(jì)而異。我們正試圖制作一個(gè)納米級寬的TEM樣品。這需要遠(yuǎn)超現(xiàn)在的自動化水平。在這個(gè)級別上實(shí)現(xiàn)工作流自動化確實(shí)很困難。這就是為什么我們需要使用機(jī)器學(xué)習(xí)。

SE：從失效分析（FA）的角度來看，大型代工廠與IDM和更專業(yè)的設(shè)備制造商之間是否存在差異？

Hakim：企業(yè)的規(guī)模很重要。如果你是一家大企業(yè)，代工廠為你生產(chǎn)數(shù)以百萬計(jì)的芯片，他們自然會為你提供全方位的服務(wù)。但是現(xiàn)在我們正在進(jìn)行的ASIC開發(fā)數(shù)量很少，因此，我們不會有足夠的影響力與大型代工廠進(jìn)行談判。但是，我們將達(dá)到一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，特別是當(dāng)你解決機(jī)器學(xué)習(xí)和深度機(jī)器學(xué)習(xí)問題時(shí)，作為一個(gè)行業(yè)，我們需要超越這一點(diǎn)。我們需要允許信息流動并嘗試在這個(gè)層面解決問題，因?yàn)楹锰帉⑹请p贏的。我的設(shè)計(jì)即使是低產(chǎn)量的，也可能是一個(gè)非常敏感的設(shè)計(jì)，它將從代工廠過程中捕獲到其他設(shè)計(jì)看不到的東西。我們需要能夠一起合作。然而，我認(rèn)為目前還沒有達(dá)成這樣的共識。

McIntyre：我的觀點(diǎn)是，這是IDM的報(bào)復(fù)，因?yàn)樗麄儗碛邢喈?dāng)大的優(yōu)勢，因?yàn)樗麄儞碛写S無法向客戶提供的制造歷史。

Hakim：關(guān)于系統(tǒng)故障的對話指出一個(gè)數(shù)據(jù)問題。晶圓廠正在生產(chǎn)某種東西，他們可以看到完整的測試。他們可以在測試和晶圓廠發(fā)生的事情之間建立聯(lián)系。然而，如果我是最終用戶，晶圓廠正在為我制造設(shè)計(jì)。我唯一可以訪問的是過程控制監(jiān)測器（PCM）數(shù)據(jù)。他們不愿意展示晶圓廠內(nèi)發(fā)生的事情。所以我只有PCM數(shù)據(jù)和我的測試數(shù)據(jù)。基于這些工具，我需要能夠判斷發(fā)生在晶圓上的特定圓環(huán)狀（缺陷）行為的根本原因。我要去找誰來告訴我過程中到底發(fā)生了什么？

Chen：有些決定是由數(shù)量驅(qū)動的。但是當(dāng)你把幾個(gè)小客戶加起來，最終會變成一個(gè)相當(dāng)大的客戶。讓每個(gè)人都圍繞我們，投資的信息保持一致是很關(guān)鍵的。IDM在證明投資合理性方面肯定具有優(yōu)勢。但對于代工廠和代工服務(wù)提供商來說，將會有按使用次數(shù)收費(fèi)的模式。但是商業(yè)化可以解決這個(gè)問題，這樣整個(gè)行業(yè)都可以利用這些從而進(jìn)步。