集束イオンビーム(FIB)回路編集は先端ノード設計のハイステークス世界でますます価値が高くなる

白書

集積回路(IC)の設計者は、28nm以降を含む先端技術ノードで製造されるデバイスを開発するにつれて、古いプロセスノードで長い間使用されてきた技術がさらに有益な利益をもたらすことを学んでいます。 デバイスを市場に投入するのに数百万ドル以上かかる時間の間に、 集束イオンビーム(FIB)回路編集 コストを削減し、パフォーマンスと機能を最適化し、リスクを軽減し、複雑なデバイス設計の市場投入までの時間を短縮するための戦略的に重要なツールとなっています。

IC設計者は、前の設計作業に基づいて予測することが不可能ではないにしても難しい、高度なプロセスノードで多くの新しい問題に遭遇することは広く理解されています。 EDAツールプロバイダは、設計フローに関するアドバイスやその他多数の技術的課題に対処する方法で、高度なノード設計の難しさにすでに対処しています。 これらの新しいデザインフローの修正を適用することに加えて、開発者はまた、フルマスクスピンの高コストまたは長いタイムテーブルにコミットする前に、FIB回路編集を修正のデバッグおよび検証またはデザイン最適化変更の調査のプロセスに適用できます。

高度なプロセスノードでの課題への取り組み

マスクコストが高く、バグを発見して修正することがはるかに困難である高度なプロセスノードでは、設計の成功の障壁が大きくなります。 設計者が高度なプロセスノードで、以前の設計作業に基づいて予測することは不可能ではないにしても困難な多くの新しい問題に遭遇することは広く理解されています。 20nmプロセスノードで製造されたチップのフィーチャーサイズは、リソグラフィで通常使用されるレーザー光の波長の10倍です。 プリシリコンテストは非常に面倒になり、シミュレーション時間は過度に長くなり、そして多くのデザインは単純に100パーセント検証できません。 シミュレーションモデルは非常に複雑な設計には不十分な場合があり、パッケージングは​​繊細なデバイスにストレスを与える可能性があります。

この環境における課題は、複数のパターニングおよびレイアウト依存効果(LDE)からローカル相互接続層の使用に及ぶ。 設計と統合の複雑さは、新しいテクノロジノードごとに新しいレベルに上昇します。 サーバー信号と電力のエレクトロマイグレーションも課題を引き起こします。 金属ピッチを狭くすると、カップリング効果とシグナルインテグリティの問題が発生します。 ワイヤ抵抗およびビア抵抗を増加させるには、より高度で可変的なワイヤサイズ決定および先細り技術が必要となる。 さらに、抽出、タイミング、シグナルインテグリティ解析、およびモデリングは、設計者が性能を犠牲にすることなく正確さを達成するために解決しなければならない多くの変動問題を引き起こします。 20nmでのリソグラフィの限界は、サインオフを達成するために多くの修正を必要とします。 最後に、設計者は、チップとIPの統合に関するさまざまな課題、パッケージングの問題、およびこれらの問題が相互作用する中でのさらなる複雑さに直面しています。

同様の課題が、制御とパワーFET機能を兼ね備えた電力制御ICおよびデバイスの設計者が直面しています。 これらの設計環境において、FIB回路編集技術は同様に進歩したプロセスノードにおいて利益を提供し、そして多くのパワーデバイスが炭化ケイ素(SiC)、窒化ガリウム(GaN)および他のワイドバンドギャップ材料に移行するにつれてますます重要になる。

多くのEDAツールプロバイダーは、設計フローやその他の多数の技術的課題に対処する方法についてのアドバイスで、すでにこれらの問題に対処しています。 これだけでは不十分です。 新しい設計フローの修正を適用することに加えて、開発者はバグ修正中に初期のプロトタイプでFIB回路編集を適用することもできます。 同じ手法を使用して、フルマスクスピンの高コストまたは長時間のスケジュールを確定する前にテストおよび検証が可能な物理プロトタイプを迅速かつ安価に実装および作成することで、設計の最適化の機会を探求することもできます。 FIBで編集したデバイスのプロトタイプを使用して、マスクに対する1回限りの変更をガイドすることができるため、連続したバージョンのマスクで試行錯誤的なアプローチを行う必要がなくなります。

FIB回路編集機能の概要

FIBシステムにはいくつかの用途があります。 半導体 産業、微小電気機械システム製造、および生物学的研究。 半導体産業におけるFIBシステムの主な用途は回路編集であり、これにより設計者はチップ内にトレースを切断したり金属接続を追加することができる(図XNUMX参照)。 FIB編集は、ファブ内の新たなロットのウェーハに典型的であるわずか数百万ドルから数百万ドルのコストで、迅速かつ容易に実行することができる。 今日の最先端の機器を使用して、多層メタルスタックを特徴とし、フリップチップおよび他の高度なチップスケールフォームファクタを占有する1 nm以下のテクノロジノードで製造された回路を編集することが可能です。

図1前面のFIB回路編集用に複数の接続とカットが示されています。

図1 前面のFIB回路編集用に複数の接続とカットが表示されます。

FIB回路編集は、ナノスケールの分解能を有する微細集束ガリウム(Ga +)イオンビームを使用して行われる。 極めて高いレベルの精度でIC上に材料を画像形成し、エッチングしそして堆積することが可能である。 材料を除去して堆積させることにより、FIB回路編集により、設計者は充電装置内の回路を切断して接続し、電気的試験用のプローブポイントを作成することができます。 これは、ICデバイスに対して顕微手術を行うのと同じです。 高エネルギーGa +ビームは導体を貫通してミリングすることができ、様々な種類のガスを使用してミリング精度を向上させるか、またはより効果的に導電性および誘電性材料を堆積させる。 例えば、適切なガス化学を使用することによって、タングステン、白金または二酸化ケイ素の選択は、イオンビームを使用して非常に正確に堆積され得る。

回路編集を実行するために、FIBツールは、関心領域の位置を特定することを可能にするCADナビゲーションシステムに結合される。 FIB回路編集では通常、設計者のGDSファイルを使用して正確な領域に移動します。 これにより、地下の特徴を見つけ、正しい編集が行われたことを確認する方法が提供されます(図2を参照)。 正確なビーム位置決めビームは、FIB回路編集にとって最も重要な要件の1つです。

図2 CADレイアウトはFIB回路編集を実行するために使用されます

図2 CADレイアウトは、FIB回路編集を実行するために使用されます。

FIB回路編集アプリケーション

すべての市販のノードでFIB回路編集のための多くの用途があります。 テスタで設計変更を検証するためと、システムボードレベルで設計変更を検証するための両方に使用できます。 典型的なアプリケーションは次のとおりです。

  • すでに生産段階にあるデバイスのデバッグと最適化 - 設計上の欠陥が特定されたら、FIB回路の編集がしばしば行われます。 これにより、提案された修正によって問題が完全に解決されるようになります。 設計者はマスクエラーを修復して、2回ではなく2回のマスクスピンでデバイスが動作することを確認しながら、同時にプロトタイプをお客様の手に委ねることで次のステップを促進し、ソフトウェア開発を続けることができます。 モバイル機器や他の市場セグメントのサイクルタイムがますます圧縮されるにつれて、1週間のサイクルタイムの損失を回避することは、製品のロールアウトを成功させるために非常に重要になります。
  • 設計変更の調査と検証 - 設計を最適化するために必要な単なるシミュレーション以上のもの。 FIB回路編集は究極のエミュレーション能力を超えています。 これにより、設計者はデバイス設計の派生物を試して結果を観察することができます。 彼らは、カットオフヒューズや他の機能変更のようなオプションを探索し、複雑なマスクスピンのコストや時間割を決める前に、ライブデバイスでそれらを試してみることができます。
  • 高価で時間のかかるマスクセット製作なしで新しいデバイスを試作する - 次のレベルのテストを可能にするためにFIBプロトタイプデバイスがよく使われます。 これにより、開発者は次回のデバイスデバッグの段階でジャンプスタートし、設計サイクルを短縮することができます。 FIB回路編集は、複数のプロトタイプ試験ラウンドおよびマスク修正サイクルの必要性を排除する。 設計者は、新しいマスクスピンでコミットする前に、設計の欠陥を最適化または修正する物理プロトタイプに回路変更の結果を実装して評価できます。 そうでなければ、1週間に数千ドルから数千ドルのウェーハコストと5-10週間のウェーハ処理サイクル時間が必要となり、追加のウェーハスピンが1回だけ必要になります。
  • 修正の複製とスケーリング:FIB回路編集を使用してプロトタイプの修正を検証したら、その修正を一握りまたは数十のデバイスで複製して、内部テスト、検証、および認定チーム、さらには顧客サンプルを提供できます。 これを行うことによって、マスクスピンと最終生産装置が戻ってくるのを待っている間に、さらなるシステムまたはアプリケーション開発作業を並行して行うことができます。
  • 製品化までの時間の短縮:時間通りに納品することは、顧客にとって極めて重要です。 彼らの製品デザインは、彼らがデバイスを手に入れることができるまで本質的に保留中です。 FIB回路編集はサイクル全体をスピードアップします。 それは顧客を生産へと導き、評判の喪失、または競合他社がドアに足を踏み入れるリスクなどを回避します。OEMの大手顧客の中には、納期が遅いペナルティを課すこともあります。

図3は、FIB回路編集をIC開発およびテストプロセス全体に統合するための最良のアプローチを示しています。

図3 FIB回路編集は、IC設計プロセス中の成功率を最適化するために、シミュレーション段階でも後のバグ修正中にも挿入することができます。

図3 IC設計プロセス中の成功率を最適化するために、FIB回路編集をシミュレーション段階でも後のバグ修正中にも挿入することができます。

パワー半導体の分野では、ほとんどの現在の制御製品は従来のシリコン技術を使用して製造されており、FIB回路編集は他のアナログ回路やデジタル回路と同じようにこれらのデバイスで実行されます。 将来的には、ドライバーがワイドバンドギャップ材料に移行する可能性が高いです。 FIB回路編集は、これらのデバイスにもメリットをもたらします。 SiC、GaNおよび他のワイドバンドギャップ半導体材料は、より高い周波数応答、より高い電流密度およびより速いスイッチング速度を提供しながら、電力半導体デバイスが高い電圧および温度に耐えることを可能にする。 しかし同時に、それらは設計と特性評価、プロセス監視と信頼性に関する複雑な課題を提示します。 高度なプロセスノードでは、課題はさらに困難になります。

FIB CIRCUIT EDIT TECHNIQUESは改善を続ける

FIB回路編集は90nmおよび65nmプロセスノードでのみうまく機能するという、そしてそれが以下の「ガス不足」であるという比較的一般的な誤解があります。 これは事実ではありません。 何千時間もの回路編集を実行する熱心なチームの経験から導き出されたツールと方法論の進歩のおかげで、FIB回路編集は現在、より正確なビームガイダンス、狭い領域での操作、両方でのより複雑な操作の実行に使用できます。装置の裏側と表側、および銅層を処理します。

FIB回路編集の主な開発分野は、ソリューションの一部として、小さいカットに対してより良いアスペクト比を提供するツールの機能です。 FIBシステムは、イオンビーム分解能、オペレーティングソフトウェア、CADナビゲーションなどの分野における進歩のおかげで、より大きな利益をもたらし続けています。 イオンビームの分解能の向上だけでも、小さなフィーチャーの認識、視覚的なエンドポインティングの支援、正確なCADアライメントの実現、およびボックスの配置精度の向上に欠かせない重要な新機能を実現しました。 図XNUMXは、XNUMXから現在までに達成された解像度の進歩を示す。

図4左側の画像は90の2008nmプロセスのビットラインを示し、右側の画像は現在のサブ25nmデバイスのビットラインを示しています。 (写真提供:DCGシステムズ)

図4 左側の画像は90の2008nmプロセスのビットラインを示し、右側の画像は現在のサブ25nmデバイスのビットラインを示しています。 (写真提供:DCGシステムズ)

しかし、ツールの進歩は物語の一部にすぎません。 FIBツールは完全に自動化されているわけではないので、回路編集を成功させるためにFIBオペレータの経験が決定的に重要であることを過小評価することはありません。 例えば、終点検出、または関心のある選択された層がいつうまくエッチングされたかを知る能力は、高い成功率を達成するために高レベルの技術を必要とし続けている。 この分野でのオペレータのスキルは、より小さなジオメトリで、そして特に挑戦的なFIBオペレーションの間はさらに重要です。 また、IC回路、ICプロセス技術、イオンミリングパターン、および一般的なFIBツール使用の基本などの分野における独自のオペレータの知識も重要です。

この専門知識を達成することは、社内での運営にとっては困難な場合があります。 多くの場合、すでにある程度の回路編集を行っている大手半導体企業は、最も困難なFIB回路編集の課題を解決するためのより深い、より広範な経験を持つ外部サービスラボでこれらのリソースを増強します。 中小企業については、FIBツールを購入する費用を負担できる人はほとんどいません。 たとえ彼らがツールを手に入れることができたとしても、それを最も効果的に運営するのに必要な経験をチームに配置することは困難です。 この規模のほとんどの企業は、基本的な電気設計の特性評価や再設計パラメータの検証をサポートするために回路編集を実装できる外部ラボに直接行く傾向があり、困難なロジック障害やその他の異常を解決するために必要なフルレンジのデバッグツールを提供します。

FIB回路編集のためのベストプラクティス

FIB回線編集を成功させるには、次のような多数の前提条件があります。

  • ツール:高解像度は、28nmや20nmなどの高度なノードで特に重要です。 設計では通常、これらの編集を行うために、.1umの解像度(またはアスペクト)比と、より細かい解像度をサポートするトレンチングアプローチが必要です。 今日の装置で開けられる最小の穴は、アスペクト比0.1/0.1の1×20umです。 ほとんどの20nmおよび28nmの設計では、ターゲットに到達するのに十分な小さな穴を開けることは不可能です。 その結果、アスペクト比を下げてターゲットにアクセスするには、特殊なFIB技術が必要になります。 システムは、ターゲット金属層の上のダミー金属をスムーズに除去できなければなりません。 これには、IC回路とプロセス、FIBツール、およびイオンミリングパターンに関する深く広範な知識も必要です。 図5は、典型的な裏面トレンチを示しています。

図5今日の溝掘りアプローチは、高度なノードでFIB回路編集を可能にするのに十分細かい解像度をサポートします。

図5 今日のトレンチ手法は、高度なノードでFIB回路編集を可能にするのに十分な高解像度をサポートしています。

  • 裏側と表側の編集:フリップチップFIB回路編集はデバイスの上部からしか実行できず、裏側と表側の編集はできないと多くの人が誤って信じています。 それどころか、裏側編集はしばしば最も効果的な操作方法です。 フリップチップパッケージングの基板材料、または今日のICの金属回路層の数が増え、上から編集するときに下層にたどり着くのが難しくなるため、これは本当かもしれません。 図6は、抵抗が2つのノードにまたがって導入されている裏面FIB回路の編集を示しています。

図6裏面FIB回路編集は、2つのノード間に抵抗を導入するために使用されます。

図6 裏面FIB回路編集は、2つのノード間に抵抗を導入するために使用されます。

別の例では、図XNUMXは、プローブパッドがマイクロプロービング用に形成されている典型的な裏面FIB回路編集を示す。

図7高解像度トレンチ加工により、高度なノードでの編集が可能になります。 [画像提供:FIB International Inc.]

図7 高解像度のトレンチ加工により、高度なノードでの編集が可能になります。 [画像提供:FIB International Inc.]

  • 銅層の取り扱い:ほとんどの28nmおよび20nmデバイスは、滑らかに除去するのが非常に難しい結晶構造を特徴とする銅デバイスです。 非常に高いレベルの品質で金属をスムーズに除去できるように、特別な方法とエンジニアの経験が必要です。 また、回路パターンが見えないため、正確なビーム位置決めは銅金属デバイスにとってより困難です。 最上位に認識すべき独特のパターンがない場合、これはアルミニウム金属デバイスにとっても重要です。
  • コンパニオンの障害解析およびテストツール、専門知識、および機能:ほとんどのデバイスは最終的にパッケージに入り込む必要があるため、デバイスのキャップ解除または蓋を外し、マイクロプロービングおよびその他のデバグテストをスムーズに行う必要がありますFIB編集パーツ
  • フロントエンドの専門知識:ナノスケールの幾何学が縮小し続けることによる課題を提示することに加えて、半導体の先端技術ノードは、プロセスが進化するにつれて新しいフロントエンド材料も導入します。 FIB回路編集ラボは、かなりのレベルのフロントエンドプロセスの理解と材料の専門知識を特徴とする大規模なラボ環境の一部であるというメリットを享受できます。 プロセスのR&D活動と歩留まりのサポートをサポートするラボは、FIB回路編集戦略の成功を最大化するのに役立つ利点と洞察、およびその他のノウハウを提供するために役立ちます。

価値のある成長

業界がナノスケールのジオメトリ曲線を下回るにつれて、IC設計の検証と検証はますます困難になります。 FIB回路編集は今日の先進的なノードでは時代遅れであると信じる人もいるかもしれませんが、実際にこれらの設計の成功率を向上させるためにますます価値が高まっています。 ツール技術とベストプラクティスの両方が進歩しているため、FIB回路編集は、デバッグの修正や修正の検証など、さまざまな目的で高度なノードで使用できます。高価で時間のかかるフルマスクスピン。

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