Le montage d'un circuit à faisceau ionique focalisé (FIB) devient de plus en plus précieux dans le monde des enjeux élevés de la conception de nœud avancée

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Les concepteurs de circuits intégrés (IC) apprennent qu'une technique utilisée depuis longtemps sur des nœuds de processus plus anciens offre des avantages encore plus précieux, car ils développent des dispositifs destinés à être fabriqués à des nœuds de technologie avancés, notamment 28nm et au-delà. Pendant une période où il faut au moins un million de 10 pour mettre un appareil sur le marché, circuit à faisceau ionique focalisé (FIB) modifier est devenu un outil stratégique pour la réduction des coûts, l'optimisation des performances et des fonctionnalités, la réduction des risques et la rapidité de commercialisation des conceptions d'appareils complexes.

Il est largement admis que les concepteurs de circuits intégrés rencontreront de nombreux problèmes nouveaux au niveau de nœuds de processus avancés qu'il serait difficile, voire impossible, d'anticiper sur la base des travaux de conception antérieurs. Les fournisseurs d’outils EDA ont déjà résolu le problème de la conception avancée des nœuds en proposant des conseils sur les processus de conception et en proposant d’autres moyens de relever de nombreux défis techniques. Outre l'application de ces nouvelles modifications du flux de conception, les développeurs peuvent également appliquer l'édition du circuit FIB au processus de débogage et de validation des correctifs ou à l'exploration des modifications d'optimisation de la conception, avant de s'engager dans les coûts élevés ou les longues durées d'une rotation complète du masque.

RELEVER LES DÉFIS DES NOEUDS DE PROCESSUS AVANCÉS

Les barrières de succès de conception sont amplifiées aux nœuds de processus avancés, où les coûts de masquage sont élevés et où il est beaucoup plus difficile de trouver et de corriger les bogues. Il est largement admis que les concepteurs rencontreront de nombreux problèmes nouveaux au niveau de nœuds de processus avancés qu'il serait difficile, voire impossible, d'anticiper sur la base des travaux de conception antérieurs. La taille des caractéristiques des puces fabriquées au niveau des nœuds de processus 20nm est 10 fois plus petite que la longueur d'onde de la lumière laser généralement utilisée en lithographie. Les tests pré-silicium deviennent extrêmement fastidieux, les temps de simulation deviennent excessifs et de nombreuses conceptions ne peuvent tout simplement pas être vérifiées par 100. Les modèles de simulation peuvent s'avérer imparfaits pour des conceptions extrêmement complexes, et l'emballage peut causer des contraintes aux périphériques sensibles.

Les défis dans cet environnement vont de la modélisation multiple et des effets dépendants de la mise en page à l'utilisation de couches d'interconnexion locales. La complexité de la conception et de l'intégration atteint un nouveau niveau avec chaque nouveau nœud technologique. Les signaux de serveur et l'électromigration électrique créent également des problèmes. La diminution de la hauteur de métal entraîne des effets de couplage et des problèmes d'intégrité du signal. L'augmentation de la résistance des fils et des traversées nécessite des techniques de dimensionnement et de réduction progressives et variables du fil. De plus, l'extraction, la synchronisation, l'analyse d'intégrité du signal et la modélisation posent une multitude de problèmes de variation que les concepteurs doivent résoudre avant de pouvoir atteindre la précision sans compromettre les performances. Les limitations de la lithographie sous 20nm nécessitent souvent beaucoup de temps de réparation pour obtenir la validation. Enfin, les concepteurs sont confrontés à de nombreux problèmes d’intégration IP et de puces, d’emballage et de complexité supplémentaire liés à l’interaction de ces problèmes.

Les concepteurs de circuits intégrés de contrôle de puissance et de dispositifs combinant contrôle et fonctionnalité FET de puissance font face à des défis similaires. Dans ces environnements de conception, les techniques d'édition de circuits FIB présentent également des avantages pour les noeuds de processus avancés. Elles revêtiront une importance croissante à mesure que de nombreux dispositifs d'alimentation migrent vers le carbure de silicium (SiC), le nitrure de gallium (GaN) et d'autres matériaux à large bande interdite.

De nombreux fournisseurs d'outils EDA abordent déjà ces problèmes en proposant des conseils sur les processus de conception et d'autres moyens de gérer de nombreux problèmes techniques. Ce n'est pas suffisant, cependant. En plus d'appliquer de nouvelles modifications du flux de conception, les développeurs peuvent également appliquer l'édition du circuit FIB avec leurs premiers prototypes lors du dépannage. Les mêmes techniques peuvent également être utilisées pour explorer les possibilités d'optimisation de la conception, en mettant en œuvre et en créant rapidement et à peu de frais des prototypes physiques pouvant être testés et validés avant de s'engager dans le coût élevé ou les longs délais d'un tour complet du masque. Les prototypes de périphériques édités par la FIB peuvent être utilisés pour guider les modifications uniques des masques, éliminant ainsi la nécessité d'une approche d'essai et d'erreur avec des versions successives des masques.

VUE D'ENSEMBLE DES CAPACITÉS D'ÉDITION DE CIRCUIT DE FIB

Les systèmes FIB ont de nombreuses utilisations dans le semi-conducteur industrie, fabrication de systèmes microélectromécaniques et études biologiques. Une des principales utilisations des systèmes FIB dans l'industrie des semi-conducteurs est l'édition de circuits, permettant aux concepteurs de couper des traces ou d'ajouter des connexions métalliques dans une puce (voir la figure 1). Les éditions FIB peuvent être effectuées rapidement et facilement, pour une petite fraction des coûts entre 5 et 10 millions de dollars, ce qui est typique pour un nouveau lot de plaquettes dans une usine. À l’aide des équipements de pointe actuels, il est possible d’éditer des circuits fabriqués avec 28 nm et des nœuds technologiques plus petits dotés de piles métalliques multicouches et occupant des puces à bascule et d’autres facteurs de forme évolués.

Figure 1 Plusieurs connexions et coupures sont illustrées pour l'édition du circuit FIB côté frontal.

Figure 1 Plusieurs connexions et coupures sont montrées pour l'édition du circuit FIB sur la face avant.

Le montage du circuit FIB est effectué à l'aide d'un faisceau d'ions gallium (Ga +) finement focalisé avec une résolution à l'échelle nanométrique. Il est possible d'imager, de graver et de déposer des matériaux sur un CI avec un niveau de précision extrêmement élevé. En retirant et en déposant des matériaux, FIB circuit edit permet aux concepteurs de couper et de connecter des circuits au sein du périphérique sous tension et de créer des points de sonde pour les tests électriques. C'est l'équivalent de la microchirurgie sur des dispositifs à circuit intégré. Le faisceau Ga + à haute énergie peut fraiser des conducteurs et utilise divers types de gaz pour améliorer la précision du fraisage ou pour déposer plus efficacement des matériaux conducteurs et diélectriques. Par exemple, en utilisant des chimies de gaz appropriées, un choix de dioxyde de tungstène, de platine ou de silicium peut être déposé très précisément à l'aide du faisceau d'ions.

Pour effectuer des modifications de circuit, l'outil FIB est couplé à un système de navigation CAO qui permet de localiser la zone d'intérêt. La modification de circuit FIB utilise généralement les fichiers GDS du concepteur pour naviguer vers la zone précise. Ceci fournit une méthode pour rechercher les caractéristiques du sous-sol et s'assurer que les modifications correctes sont effectuées (voir Fig. 2). Un faisceau de positionnement de faisceau précis est l’une des exigences les plus critiques du montage de circuits FIB.

Figure Les dispositions de CAO 2 permettent d’éditer les circuits FIB.

Figure 2 Les dispositions de CAO sont utilisées pour effectuer des modifications de circuits FIB.

APPLICATIONS D'EDITION DE CIRCUITS DE FIB

Il existe de nombreuses utilisations pour l’édition de circuits FIB sur chaque nœud disponible dans le commerce. Il peut être utilisé à la fois pour vérifier les modifications de conception sur le testeur et pour valider les modifications de conception au niveau de la carte système. Les applications typiques incluent:

  • Débogage et optimisation des périphériques déjà en production - Les modifications de circuits FIB sont souvent effectuées une fois qu'un défaut de conception a été identifié. Cela garantit que le correctif proposé résoudra complètement le problème. Les concepteurs peuvent réparer les erreurs de masque et savoir que le périphérique fonctionnera après un tour de masque et non pas deux, tout en accélérant les étapes suivantes en mettant les prototypes en service entre les mains du client pour lui permettre de poursuivre le développement du logiciel. Alors que les temps de cycle sur les appareils mobiles et les autres segments du marché deviennent de plus en plus comprimés, il peut être extrêmement important d'éviter une semaine de temps de cycle perdue pour le succès du déploiement du produit.
  • Explorer et valider les modifications apportées à la conception - davantage que la simple simulation nécessaire pour optimiser les conceptions. Le montage de circuits FIB va au-delà des capacités d'émulation ultimes. Il permet aux concepteurs d’essayer des dérivés de la conception d’appareils et d’observer les résultats. Ils peuvent explorer des options telles que des fusibles et des modifications fonctionnelles, et les expérimenter sur un périphérique sous tension avant de s’engager sur le coût ou le calendrier d’un tour complexe de masque.
  • Prototyper de nouveaux dispositifs sans avoir à fabriquer des jeux de masques coûteux et fastidieux - les prototypes de dispositifs FIB sont souvent utilisés pour permettre des tests de niveau supérieur. Cela permet aux développeurs d’obtenir un départ immédiat lors du prochain cycle de débogage de périphérique et d’accélérer les cycles de conception. Le montage de circuits FIB élimine le besoin de tours de tests sur plusieurs prototypes et de cycles de modification de masques. Les concepteurs peuvent implémenter et évaluer les résultats des modifications de circuit sur des prototypes physiques afin d’optimiser ou de corriger les défauts de la conception avant de s’engager dans une nouvelle rotation du masque. Ce qui coûterait autrement de millions de dollars 5 à millions de dollars de coûts de plaquettes et de semaines 10-6 en cycle de traitement de plaquettes peut être effectué pour des centaines ou des milliers de dollars en quelques heures, garantissant ainsi un seul essorage supplémentaire des plaquettes.
  • Duplication et mise à l'échelle des correctifs: une fois qu'un correctif a été vérifié sur un prototype à l'aide du circuit de montage FIB, il est possible de dupliquer ce correctif sur plusieurs ou plusieurs périphériques afin de fournir des équipes internes de test, de validation et de qualification, voire même des échantillons de clients. De cette manière, d'autres travaux de développement de systèmes ou d'applications peuvent ensuite être effectués en parallèle en attendant le retour de la rotation du masque et des dispositifs de production finale.
  • Accélération des délais de mise sur le marché: La livraison dans les délais est d'une importance vitale pour les clients. Leurs conceptions de produits sont essentiellement en attente jusqu'à ce qu'ils puissent obtenir des appareils. Le montage du circuit FIB accélère le cycle entier. Cela permet aux clients d'entrer en production et évite la perte de réputation ou le risque que les concurrents ne se mettent en place, etc. Certains grands clients OEM imposent également des pénalités de livraison tardive pouvant parfois atteindre des millions de dollars.

La figure 3 montre la meilleure approche pour intégrer l'édition de circuits FIB dans l'ensemble du processus de développement et de test des circuits intégrés.

La figure 3 FIB circuit edit peut être insérée à la fois au stade de la simulation et ultérieurement lors du débogage afin d’optimiser les taux de réussite au cours du processus de conception de circuits intégrés.

Figure 3 Le montage de circuit FIB peut être inséré à la fois au stade de la simulation et ultérieurement lors du dé-bug pour optimiser les taux de réussite lors du processus de conception de circuits intégrés.

Dans le domaine des semi-conducteurs de puissance, la plupart des produits de contrôle actuels sont fabriqués à l'aide de la technologie traditionnelle au silicium, et l'édition du circuit FIB est effectuée de la même manière avec ces dispositifs, comme avec tout autre circuit analogique ou numérique. À l'avenir, il est fort possible que les conducteurs optent pour des matériaux à large bande interdite. La modification du circuit FIB devrait également présenter des avantages pour ces dispositifs. Le SiC, le GaN et d'autres matériaux semi-conducteurs à large bande interdite permettent aux dispositifs semi-conducteurs de puissance de résister à des tensions et des températures élevées, tout en offrant une réponse en fréquence plus élevée, une densité de courant accrue et des vitesses de commutation plus rapides. Dans le même temps, toutefois, ils présentent des défis complexes liés à la conception et à la caractérisation, à la surveillance des processus et à la fiabilité. Les défis deviennent encore plus difficiles au niveau des nœuds de processus avancés.

TECHNIQUES D'EDITION DE CIRCUITS DE FIBS CONTINUES D'AMELIORER

Il existe une perception erronée relativement courante que le montage de circuits FIB ne fonctionne bien que sur les nœuds de processus 90nm et 65nm, et qu’il a “manqué de gaz” dans les niveaux inférieurs. Ce n'est tout simplement pas vrai. Grâce aux avancées en matière d’outils et de méthodes issues de l’expérience d’équipes dédiées gérant des milliers d’heures / mois d’édition de circuits, l’édition de circuits FIB permet désormais un guidage plus précis du faisceau, fonctionne dans des zones plus petites, effectue des opérations plus complexes à la fois. face avant et arrière de l'appareil et manipuler des couches de cuivre.

L'un des principaux domaines de développement de l'édition de circuits FIB est la capacité des outils à fournir un meilleur rapport d'aspect pour les coupes plus petites dans le cadre de la solution. Les systèmes FIB continuent d'offrir de plus grands avantages grâce aux progrès réalisés dans des domaines tels que la résolution du faisceau d'ions, le logiciel d'exploitation et la navigation CAO. Les progrès de la résolution du faisceau ionique, à eux seuls, ont fourni d'importantes nouvelles fonctionnalités essentielles pour la reconnaissance de petites fonctionnalités, l'aide au pointage visuel final, permettant un alignement CAO précis et une amélioration de la précision de placement des boîtes. La figure 4 montre les progrès en matière de résolution réalisés de 2008 à nos jours.

Figure 4 L'image de gauche montre les lignes de bits d'un processus 90nm dans 2008, tandis que l'image de droite montre la ligne de bits d'un périphérique sub-25nm aujourd'hui. (photo avec l'aimable autorisation de DCG Systems)

Figure 4 L'image de gauche montre les lignes de bits d'un processus 90nm dans 2008, tandis que l'image de droite montre la ligne de bits d'un périphérique sub-25nm aujourd'hui. (photo avec l'aimable autorisation de DCG Systems)

Les progrès des outils ne sont cependant qu’une partie de l’histoire. Comme les outils FIB ne sont pas entièrement automatisés, il n’ya pas lieu de sous-estimer l’importance cruciale de l’expérience acquise par les opérateurs FIB pour le succès de l’édition de circuits. Par exemple, la détection des points finaux ou la capacité de savoir quand les couches d’intérêt sélectionnées ont été gravées avec succès) continue de nécessiter un niveau élevé de compétences pour atteindre des taux de réussite élevés. La compétence de l'opérateur dans ce domaine est encore plus importante dans les géométries plus petites et lors d'opérations particulièrement difficiles. Les connaissances uniques de l'opérateur dans des domaines tels que les circuits à circuits intégrés, la technologie de traitement des circuits intégrés, les modèles de usinage ionique et les bases générales de l'utilisation des outils FIB sont également importantes.

Obtenir cette expertise peut être difficile pour une opération interne. Souvent, les grandes sociétés de semi-conducteurs qui effectuent déjà un certain niveau de vérification de circuit augmenteront ces ressources avec des laboratoires de service externes ayant une expérience approfondie et approfondie de la résolution des problèmes de modification de circuit FIB les plus difficiles. En ce qui concerne les petites et moyennes entreprises, peu d’entre elles peuvent supporter les dépenses liées à l’achat d’un outil FIB pouvant coûter un million de dollars ou plus. Même s’ils avaient les moyens de se procurer cet outil, il serait difficile de doter une équipe de l’expérience nécessaire pour le faire fonctionner le plus efficacement possible. La plupart des entreprises de cette taille ont tendance à s'adresser directement à un laboratoire externe capable d'implémenter des contrôles de circuits pour prendre en charge la caractérisation de base de la conception électrique ou la vérification des paramètres de reconception, et offre une gamme complète d'outils de débogage nécessaires à la résolution des problèmes de logique et autres anomalies.

MEILLEURES PRATIQUES POUR L’ÉDITION DE CIRCUITS DE FIB

Il existe de nombreuses conditions préalables au succès de l’édition du circuit FIB, notamment:

  • Outils: La haute résolution est particulièrement importante pour les nœuds avancés tels que 28 nm et 20 nm. Les conceptions nécessitent généralement une résolution (ou un rapport d'aspect) de 1 um ainsi qu'une approche de tranchée qui prend en charge une résolution plus fine afin d'effectuer ces modifications. Le plus petit trou qui peut être fait avec l'équipement actuel est de 0.1 × 0.1um avec un rapport hauteur / largeur de 1/20. Pour la plupart des conceptions de 20 nm et 28 nm, il est impossible de faire un trou suffisamment petit pour atteindre la cible. En conséquence, des techniques FIB spécialisées sont nécessaires pour réduire le rapport hauteur / largeur et accéder à la cible. Le système doit être capable d'éliminer en douceur le métal factice au-dessus de la couche de métal cible. Cela nécessite également une connaissance approfondie et approfondie des circuits et processus IC, des outils FIB et des modèles de fraisage ionique. La figure 5 montre une tranchée arrière typique.

Figure 5 Les approches de tranchée actuelles prennent en charge des résolutions suffisamment fines pour permettre la modification de circuits FIB sur des nœuds avancés.

Figure 5 Les approches actuelles de création de tranchées prennent en charge des résolutions suffisamment fines pour permettre la modification de circuits FIB sur des nœuds avancés.

  • Montage en amont et en aval: de nombreuses personnes croient à tort que l’édition du circuit FIB à bascule ne peut être effectuée que depuis le haut de l’appareil et qu’aucune édition en amont ou en aval n’est possible. Au contraire, la modification par l'arrière est souvent le moyen le plus efficace de fonctionner. Cela est peut-être vrai en raison du matériau de substrat contenu dans l'emballage de la bascule ou du nombre croissant de couches de circuits métalliques dans les circuits intégrés actuels, ce qui rend plus difficile l'accès à une couche inférieure lors d'une édition par le haut. La figure 6 montre une édition de circuit FIB dans laquelle une résistance est introduite sur deux nœuds.

Figure L'édition du circuit FIB côté arrière 6 est utilisée pour introduire une résistance sur deux nœuds.

Figure 6 La modification du circuit FIB côté arrière est utilisée pour introduire une résistance sur deux nœuds.

Dans un autre exemple, la figure 7 montre un circuit FIB arrière typique dans lequel un plot de sonde est formé pour le microdétalonnage.

Figure 7 Le creusement de tranchées à haute résolution permet de modifier des nœuds avancés. [Courtoisie d'image de FIB International Inc.]

Figure 7 Les tranchées à haute résolution permettent de modifier les nœuds avancés. [Courtoisie d'image de FIB International Inc.]

  • Traitement des couches de cuivre: la plupart des périphériques 28nm et 20nm sont des périphériques de cuivre dotés d'une structure cristalline très difficile à éliminer en douceur. Des méthodes spéciales sont nécessaires, ainsi que l'expérience de l'ingénieur, afin que le métal puisse être retiré en douceur avec un très haut niveau de qualité. En outre, le positionnement précis du faisceau est plus difficile pour les dispositifs en cuivre, en raison de la non-visibilité des configurations de circuit. Cela est également important pour les dispositifs en métal aluminium s'il n'y a pas de motifs uniques à reconnaître au niveau supérieur.
  • Outils d'analyse, d'essai, d'expertise et de capacités complémentaires pour l'analyse des défaillances: étant donné que la plupart des périphériques doivent finalement trouver leur place dans les packages, il convient de passer en douceur au décapsulage ou au déblocage des périphériques et d'effectuer des tests de micro-test et d'autres tests de correction Parties éditées par FIB.
  • Expertise front-end: en plus de présenter des défis dus à une géométrie nanométrique de plus en plus réduite, les nœuds de technologie avancée des semi-conducteurs introduisent également de nouveaux matériaux frontaux à mesure que les processus évoluent. Les laboratoires d'édition de circuits FIB peuvent bénéficier du fait de faire partie d'un environnement de laboratoire plus vaste caractérisé par un niveau significatif de compréhension des processus frontaux et d'expertise des matériaux. Les laboratoires qui prennent en charge l'activité de R&D sur les processus et le support de rendement seront capables d'offrir un avantage et des idées, ainsi que d'autres savoir-faire qui aideront à maximiser le succès des stratégies d'édition de circuits FIB.

GRANDIR EN VALEUR

La vérification et la validation de la conception de circuits intégrés continueront d’augmenter en difficulté au fur et à mesure que l’industrie progressera sur la courbe géométrique à l’échelle nanométrique. Certains pensent peut-être que le montage de circuits FIB est obsolète sur les nœuds avancés actuels, mais il devient de plus en plus précieux pour améliorer les taux de réussite de ces conceptions, dont la mise sur le marché peut souvent coûter un million de dollars 10 ou plus. En raison des progrès réalisés dans la technologie des outils et des meilleures pratiques, l'édition de circuits FIB peut être utilisée sur des nœuds avancés à diverses fins, notamment le débogage et la validation de correctifs, ainsi que plus tôt dans le processus pour explorer les possibilités d'optimisation de la conception, sans devoir s'engager. une rotation complète et coûteuse du masque.

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