五位半導體行業(yè)專(zhuān)家對芯片缺陷分析

在圓桌會(huì )議上，半導體工程專(zhuān)家們就“半導體和封裝技術(shù)日益增加的復雜性將如何推動(dòng)故障分析方法的轉變”展開(kāi)了討論，討論嘉賓包括Bruker Nano Surfaces&Metrology應用與產(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(zhuān)家Jake Jensen以及賽默飛世爾科技高級營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理Paul Kirby。以下是這場(chǎng)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(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理Paul Kirby以及賽默飛世爾科技高級產(chǎn)品專(zhuān)家Jake Jensen。

SE：在高級封裝中，故障分析存在哪些挑戰？

Chen：隨著(zhù)封裝尺寸的縮小，封裝方面故障分析的挑戰也隨之而來(lái)。特別是當采用混合鍵合時(shí)，這時(shí)就需要采用高分辨率技術(shù)。目前來(lái)說(shuō)，提供微米級分辨率并不是什么挑戰，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。設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(lái)看，實(shí)現這個(gè)目標可能需要兩個(gè)不同的工具共同完成。在前端非常常見(jiàn)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(lái)確定需要排查的區域和故障分析工具。但是設備制造商已經(jīng)意識到，他們無(wú)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(lái)保證設備的質(zhì)量。因此，對于先進(jìn)封裝，他們可能開(kāi)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，并增加了機器學(xué)習以支持該分析。

SE：就您的結論來(lái)看，我們現在似乎正處于先進(jìn)封裝采用晶圓制造中工作流程轉折點(diǎn)。

Kirby：絕對沒(méi)有任何一種工具可以包打天下，因為我們所涉及的長(cháng)度尺度的跨度是巨大的，這是我們遇到的另一個(gè)挑戰。當試圖查找非常小的缺陷時(shí)，例如裂紋，但要在數毫米的區域內查找，所謂尺有所長(cháng)，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(jìn)行大量的破壞性定位來(lái)分析其故障。雖說(shuō)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(lèi)型的檢測呢？

Chen：當進(jìn)行倒裝芯片鍵合和熱壓鍵合時(shí)，現在有一種很好的直列式X射線(xiàn)計量解決方案。但是，當在采用混合鍵合時(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(lái)說(shuō)，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(lái)確?；旌湘I合表面潔凈的技術(shù)。對于RDL（Re-distributed layer，重布線(xiàn)層），隨著(zhù)我們獲得亞微米線(xiàn)長(cháng)度和間距，已經(jīng)開(kāi)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。就現在來(lái)說(shuō)，所有故障分析工具都已經(jīng)存在。沒(méi)有人會(huì )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(wèn)題是您可以在數毫米長(cháng)度的“大尺度”上做什么。

Jensen：我完全同意。先進(jìn)封裝是半導體中最獨特的領(lǐng)域之一。對于這種類(lèi)型的故障分析，我們需要跨越至少六個(gè)數量級。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(lái)定位微小缺陷來(lái)標出我們需要重點(diǎn)關(guān)注的區域中的這些缺陷。

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(lái)越多的人使用鎖相熱成像技術(shù)。來(lái)自熱特征的z軸分辨率將為我們提供一個(gè)好的指標，以指示缺陷在哪里。然后，通過(guò)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(guān)察這些互連結構。

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)地標記它。但更重要的是，我們需要以穩健的方式在特定位置進(jìn)行此操作。這些缺陷可能是獨一無(wú)二的，因此我們不能錯過(guò)它們。想象一下，僅僅對某些東西進(jìn)行銑削。如果我們沒(méi)有發(fā)現缺陷，我們就會(huì )浪費時(shí)間。如果我們的操作過(guò)度，那就會(huì )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(huì )發(fā)現有不同的層——從芯片到襯底的結合，從芯片到基板的鍵合，再到另一組凸塊的RDL（重布線(xiàn)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：當然。材料的內在稟賦差異很大。無(wú)論我們用不同波長(cháng)的激光轟擊它們，還是用不同種類(lèi)的離子進(jìn)行銑削，都需要非常仔細地考慮這一點(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(guò)去幾年中，我們已經(jīng)看到客戶(hù)對TSVs（矽通孔）進(jìn)行橫截面或對角線(xiàn)銑削，然后在這些TSVs和封裝結構上進(jìn)行掃描電子顯微鏡計量，以便能夠發(fā)現并屏蔽這些系統缺陷。

McIntyre：我想補充一點(diǎn)，我們需要將一百多個(gè)數據點(diǎn)，而不是一兩個(gè)數據點(diǎn)的數據轉化為報告，在這之中的數據量是十分巨大的。我們現在看到，一個(gè)晶圓的生產(chǎn)檢查和計量層可以產(chǎn)生高達10千兆字節的數據，這相當于2億個(gè)凸塊和十幾個(gè)計量點(diǎn)，再加上缺陷和成像。數據量令人震驚。如果我們能夠從一臺好的SEM/TEM（TEM，透射電子顯微鏡）獲得相同水平的數據，并將其傳輸到我們可以與之關(guān)聯(lián)的分析數據結構中，然后與測試結果聯(lián)系起來(lái)，那將是我夢(mèng)寐以求的。

SE：先進(jìn)CMOS工藝的失效分析的挑戰是什么？

Kirby：我們已經(jīng)看到finFET和全柵極技術(shù)的轉變推動(dòng)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(huì )翻一番。這主要歸因于兩點(diǎn)。一是縮小設備特征使得需要更好的分辨率技術(shù)。二是隨著(zhù)3D柵極結構的日益普及和復雜性，TEM分析變得越來(lái)越有價(jià)值。我們看到無(wú)論是存儲器還是邏輯細分領(lǐng)域都推動(dòng)著(zhù)越來(lái)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(lái)制作樣品才能進(jìn)行良好的失效分析。但是，缺陷可能被3D結構和周?chē)慕饘傺谏w。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，這是一項非常復雜的挑戰。在存儲器（DRAM或3D NAND）中，挑戰更多地在于縱橫比，這些縱橫比變得越來(lái)越高。與這些結構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(guān)察器件的結構，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)驗中都與系統性的問(wèn)題有關(guān)——例如，你的金屬線(xiàn)稍微變薄，或者橫截面稍微偏離——這些問(wèn)題會(huì )引發(fā)故障機制。因此，這不是一個(gè)單點(diǎn)故障，隨著(zhù)這些系統變得越來(lái)越復雜，在功能邊界框中你最終會(huì )創(chuàng )建越來(lái)越多的角落。我們所談?wù)摰某叨群芸赡芫褪菃卧訉拥某叨?。這種系統性的問(wèn)題會(huì )在給定一定條件的情況下造成功能上的差異。然后，推斷出當你開(kāi)始制造一個(gè)芯片時(shí)，你會(huì )期望滿(mǎn)足更廣泛的應用場(chǎng)景。例如，同一款CPU會(huì )用于筆記本電腦、服務(wù)器和臺式機。這些是不同的環(huán)境，相同的物理結構可能只適用于其中一種環(huán)境。從分析的角度來(lái)看，也需要理解這種系統性的損失。

Hakim：我擔憂(yōu)的一件事情是，如果你從現在起展望10年后，我們計劃進(jìn)入亞納米技術(shù)。在未來(lái)10年里，我們計劃如何應對0.7納米？因為現在你將它們放入3D結構中，這會(huì )指數級增加與設備相關(guān)的問(wèn)題。

Kirby：實(shí)際分析層面的挑戰是可以應對的?，F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(dòng)化的時(shí)候，因為缺陷數量和設備類(lèi)型會(huì )因設計而異。我們正試圖制作一個(gè)納米級寬的TEM樣品。這需要遠超現在的自動(dòng)化水平。在這個(gè)級別上實(shí)現工作流自動(dòng)化確實(shí)很困難。這就是為什么我們需要使用機器學(xué)習。

SE：從失效分析（FA）的角度來(lái)看，大型代工廠(chǎng)與IDM和更專(zhuān)業(yè)的設備制造商之間是否存在差異？

Hakim：企業(yè)的規模很重要。如果你是一家大企業(yè)，代工廠(chǎng)為你生產(chǎn)數以百萬(wàn)計的芯片，他們自然會(huì )為你提供全方位的服務(wù)。但是現在我們正在進(jìn)行的ASIC開(kāi)發(fā)數量很少，因此，我們不會(huì )有足夠的影響力與大型代工廠(chǎng)進(jìn)行談判。但是，我們將達到一個(gè)轉折點(diǎn)，特別是當你解決機器學(xué)習和深度機器學(xué)習問(wèn)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(dòng)并嘗試在這個(gè)層面解決問(wèn)題，因為好處將是雙贏(yíng)的。我的設計即使是低產(chǎn)量的，也可能是一個(gè)非常敏感的設計，它將從代工廠(chǎng)過(guò)程中捕獲到其他設計看不到的東西。我們需要能夠一起合作。然而，我認為目前還沒(méi)有達成這樣的共識。

McIntyre：我的觀(guān)點(diǎn)是，這是IDM的報復，因為他們將擁有相當大的優(yōu)勢，因為他們擁有代工廠(chǎng)無(wú)法向客戶(hù)提供的制造歷史。

Hakim：關(guān)于系統故障的對話(huà)指出一個(gè)數據問(wèn)題。晶圓廠(chǎng)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(chǎng)發(fā)生的事情之間建立聯(lián)系。然而，如果我是最終用戶(hù)，晶圓廠(chǎng)正在為我制造設計。我唯一可以訪(fǎng)問(wèn)的是過(guò)程控制監測器（PCM）數據。他們不愿意展示晶圓廠(chǎng)內發(fā)生的事情。所以我只有PCM數據和我的測試數據?；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(shuí)來(lái)告訴我過(guò)程中到底發(fā)生了什么？

Chen：有些決定是由數量驅動(dòng)的。但是當你把幾個(gè)小客戶(hù)加起來(lái)，最終會(huì )變成一個(gè)相當大的客戶(hù)。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(chǎng)和代工服務(wù)提供商來(lái)說(shuō)，將會(huì )有按使用次數收費的模式。但是商業(yè)化可以解決這個(gè)問(wèn)題，這樣整個(gè)行業(yè)都可以利用這些從而進(jìn)步。