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，這時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就變成了一個挑戰(zhàn)。設(shè)備制造商一直在努力研發(fā)一種工具，但這就目前的進展來看，實現(xiàn)這個目標可能需要兩個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)出一個在保證同時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，對于先進封裝，他們可能開始使用兩個不同的工具集。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)在似乎正處于先進封裝采用晶圓制造中工作流程轉(zhuǎn)折點。

Kirby：絕對沒有任何一種工具可以包打天下，因為我們所涉及的長度尺度的跨度是巨大的，這是我們遇到的另一個挑戰(zhàn)。當(dāng)試圖查找非常小的缺陷時，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；另一個方面是破壞性與非破壞性。試想有這樣一個情況，在一個設(shè)計公司之中，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：那么我們可以進行哪些類型的檢測呢？

Chen：當(dāng)進行倒裝芯片鍵合和熱壓鍵合時，現(xiàn)在有一種很好的直列式X射線計量解決方案。但是，當(dāng)在采用混合鍵合時，目前其實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。先進封裝是半導(dǎo)體中最獨特的領(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出我們需要重點關(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)點和缺點。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好的指標，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，我們需要及時地標記它。但更重要的是，我們需要以穩(wěn)健的方式在特定位置進行此操作。這些缺陷可能是獨一無二的，因此我們不能錯過它們。想象一下，僅僅對某些東西進行銑削。如果我們沒有發(fā)現(xiàn)缺陷，我們就會浪費時間。如果我們的操作過度，那就會更糟糕，因為我們失去了缺陷，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，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行銑削，都需要非常仔細地考慮這一點如何優(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）進行橫截面或?qū)蔷€銑削，然后在這些TSVs和封裝結(jié)構(gòu)上進行掃描電子顯微鏡計量，以便能夠發(fā)現(xiàn)并屏蔽這些系統(tǒng)缺陷。

McIntyre：我想補充一點，我們需要將一百多個數(shù)據(jù)點，而不是一兩個數(shù)據(jù)點的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為報告，在這之中的數(shù)據(jù)量是十分巨大的。我們現(xiàn)在看到，一個晶圓的生產(chǎn)檢查和計量層可以產(chǎn)生高達10千兆字節(jié)的數(shù)據(jù)，這相當(dāng)于2億個凸塊和十幾個計量點，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TEM樣本量每五年就會翻一番。這主要歸因于兩點。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值。我們看到無論是存儲器還是邏輯細分領(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，要能夠在三個維度上隔離缺陷，然后正確地分析和表征它，這是一項非常復(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缺陷。在我的很多制造經(jīng)驗中都與系統(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)故障機制。因此，這不是一個單點故障，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訉拥某叨取＿@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)你開始制造一個芯片時，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。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，我們計劃進入亞納米技術(shù)。在未來10年里，我們計劃如何應(yīng)對0.7納米？因為現(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：實際分析層面的挑戰(zhàn)是可以應(yīng)對的?，F(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，制作一個在3D空間中捕捉缺陷的樣本。，這就是需要端點和更多自動化的時候，因為缺陷數(shù)量和設(shè)備類型會因設(shè)計而異。我們正試圖制作一個納米級寬的TEM樣品。這需要遠超現(xiàn)在的自動化水平。在這個級別上實現(xiàn)工作流自動化確實很困難。這就是為什么我們需要使用機器學(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行談判。但是，我們將達到一個轉(zhuǎn)折點，特別是當(dāng)你解決機器學(xué)習(xí)和深度機器學(xué)習(xí)問題時，作為一個行業(yè)，我們需要超越這一點。我們需要允許信息流動并嘗試在這個層面解決問題，因為好處將是雙贏的。我的設(shè)計即使是低產(chǎn)量的，也可能是一個非常敏感的設(shè)計，它將從代工廠過程中捕獲到其他設(shè)計看不到的東西。我們需要能夠一起合作。然而，我認為目前還沒有達成這樣的共識。

McIntyre：我的觀點是，這是IDM的報復(fù)，因為他們將擁有相當(dāng)大的優(yōu)勢，因為他們擁有代工廠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。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)?；谶@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)你把幾個小客戶加起來，最終會變成一個相當(dāng)大的客戶。讓每個人都圍繞我們，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)收費的模式。但是商業(yè)化可以解決這個問題，這樣整個行業(yè)都可以利用這些從而進步。