聚焦离子束(FIB)电路编辑在高风险的高级节点设计世界中变得越来越有价值

白皮书

集成电路(IC)设计人员正在了解,长期在旧工艺节点上使用的技术正在提供更有价值的优势,因为他们开发的器件要在包括28nm在内的先进技术节点上制造。 在将设备推向市场需要1000万美元或更多的时间内, 聚焦离子束(FIB)电路编辑 已成为降低成本,优化性能和功能,降低风险以及加快复杂设备设计上市时间的战略重要工具。

众所周知,IC设计人员将在先进的工艺节点处遇到许多新问题,即使不是不可能,也很难根据以前的设计工作进行预测。 EDA工具提供商已经解决了高级节点设计的难题,提出了围绕设计流程和其他方法来处理众多技术挑战的建议。 除了应用这些新的设计流程修改之外,开发人员还可以在进行完整掩模旋转的高成本或冗长时间表之前,将FIB电路编辑应用于调试和验证修复或探索设计优化更改的过程。

解决先进过程节点面临的挑战

设计成功障碍在高级流程节点处被放大,其中掩模成本高并且查找和修复错误要困难得多。 众所周知,设计人员将在先进的工艺节点遇到许多新问题,即使不是不可能,也很难根据以前的设计工作进行预测。 在20nm工艺节点制造的芯片的特征尺寸比通常在光刻中使用的激光的波长小10倍。 预硅测试变得非常繁琐,仿真时间越来越长,许多设计根本无法通过100百分比验证。 仿真模型对于极其复杂的设计可能是不完美的,并且封装会对敏感设备造成压力。

此环境中的挑战包括多种图案化和布局相关效应(LDE)以及本地互连层的使用。 每个新技术节点的设计和集成复杂性都上升到了新的水平。 服务器信号和电力电迁移也带来了挑战。 减小金属间距会导致耦合效应和信号完整性问题。 增加导线和通孔电阻需要更先进和可变的导线尺寸和锥形技术。 此外,提取,定时,信号完整性分析和建模会带来很多变化问题,设计人员必须先解决这些问题才能在不影响性能的情况下实现精度。 20nm的光刻限制通常需要大量修复才能实现签核。 最后,设计人员面临着众多芯片和IP集成挑战,封装问题以及这些问题相互作用时的额外复杂性。

类似的挑战面临着将控制与功率FET功能相结合的功率控制IC和器件的设计者。 在这些设计环境中,FIB电路编辑技术类似地在先进工艺节点处提供益处,并且随着许多功率器件转向碳化硅(SiC),氮化镓(GaN)和其他宽带隙材料而变得越来越重要。

许多EDA工具提供商已经就设计流程和处理众多技术挑战的其他方法提出建议来解决这些问题。 然而,这还不够。 除了应用新的设计流程修改之外,开发人员还可以在解除bug时使用早期原型应用FIB电路编辑。 通过快速且廉价地实现和创建可在完全掩模旋转的高成本或冗长时间表之前进行测试和验证的物理原型,也可以使用相同的技术来探索设计优化机会。 FIB编辑的设备原型可用于指导对掩模的一次性修改,从而无需使用连续版本的掩模进行试错法。

FIB电路编辑功能概述

FIB系统有许多用途 半导体 工业,微机电系统制造和生物学研究。 半导体行业中FIB系统的主要用途是用于电路编辑,允许设计人员在芯片内切割迹线或添加金属连接(参见图1)。 FIB编辑可以快速,轻松地完成,只需花费5百万到10百万美元的成本,这是晶圆厂中新一批晶圆的典型成本。 使用当今最先进的设备,可以编辑使用28 nm和较小技术节点制造的电路,这些节点具有多层金属叠层并占据倒装芯片和其他先进的芯片级外形尺寸。

图1显示了前端FIB电路编辑的多个连接和切口。

图1 前端FIB电路编辑显示了多个连接和切口。

使用具有纳米级分辨率的精细聚焦的镓(Ga +)离子束执行FIB电路编辑。 可以以极高的精度在IC上成像,蚀刻和沉积材料。 通过移除和存放材料,FIB电路编辑使设计人员能够切换和连接带电设备内的电路,并创建用于电气测试的探测点。 它相当于在IC设备上进行显微外科手术。 高能Ga +光束可以磨穿导体,并使用各种类型的气体来提高铣削精度或更有效地沉积导电和介电材料。 例如,通过使用适当的气体化学,可以使用离子束非常精确地沉积钨,铂或二氧化硅的选择。

为了执行电路编辑,FIB工具耦合到CAD导航系统,使得可以定位感兴趣的区域。 FIB电路编辑通常使用设计人员的GDS文件导航到精确区域。 这提供了一种查找地下特征并确保进行正确编辑的方法(参见图2)。 精确的光束定位光束是FIB电路编辑的最关键要求之一。

图2 CAD布局用于执行FIB电路编辑

图2 CAD布局用于执行FIB电路编辑。

FIB电路编辑应用

每个商用节点的FIB电路编辑有很多用途。 它既可用于验证测试仪的设计变更,也可用于验证系统板级的设计变更。 典型应用包括:

  • 调试和优化已投入生产的设备 - 一旦识别出设计缺陷,通常会执行FIB电路编辑。 这可确保建议的修复程序将完全解决问题。 设计人员可以修复掩模错误,并知道该设备可以在一次而不是两次掩模旋转后工作,同时通过将原型工作放入客户手中来加快后续步骤,以便他们可以继续进行软件开发。 随着移动设备和其他细分市场的周期时间变得越来越紧凑,避免一周的丢失周期时间对于成功推出产品非常重要。
  • 探索和验证设计变更 - 不仅仅是优化设计所需的模拟。 FIB电路编辑超越了最终的仿真功能。 它使设计人员能够尝试设备设计的衍生产品并观察结果。 他们可以探索切割保险丝或其他功能变化等选项,并在投入复杂蒙版旋转的成本或时间表之前在实时设备上进行实验。
  • 在没有昂贵且耗时的掩模组制造的情况下对新器件进行原型设计 - FIB原型器件通常用于实现下一级测试。 这使开发人员能够在下一轮设备调试中快速启动并加速设计周期。 FIB电路编辑消除了对多个原型测试轮次和掩模修改周期的需要。 设计人员可以在物理原型上实现和评估电路变化的结果,这些变化将优化或纠正设计中的缺陷,然后再进行新的掩模旋转。 否则,晶圆成本为5百万美元至10万美元,晶圆处理周期时间为6-8周,可在数小时内完成数百或数千美元,确保只需要一次额外的晶圆旋转。
  • 复制和扩展修复:一旦使用FIB电路编辑在原型上验证了修复,就可以在少数设备或数十个设备上复制该修复,以提供内部测试,验证和鉴定团队甚至客户样本。 通过这样做,可以在等待掩模旋转和最终生产设备返回的同时进行进一步的系统或应用程序开发工作。
  • 加快产品上市时间:按时交货对客户至关重要。 他们的产品设计基本上处于暂停状态,直到可以获得设备。 FIB电路编辑可加快整个周期。 它可以让客户投入生产,避免声誉损失,或者竞争对手陷入困境等等。一些大型OEM客户也会实施延迟交付处罚,有时会达到数百万美元。

图3显示了将FIB电路编辑集成到整个IC开发和测试过程的最佳方法。

图3 FIB电路编辑既可以在仿真阶段插入,也可以在解密期间插入,以优化IC设计过程中的成功率。

图3 FIB电路编辑既可以在仿真阶段插入,也可以在解密期间插入,以优化IC设计过程中的成功率。

在功率半导体领域,大多数电流控制产品使用传统的硅技术制造,并且FIB电路编辑与这些器件以与任何其他模拟或数字电路大致相同的方式执行。 未来,司机很有可能转向宽带隙材料。 FIB电路编辑也应为这些设备带来好处。 SiC,GaN和其他宽带隙半导体材料使功率半导体器件能够承受高电压和高温,同时提供更高的频率响应,更高的电流密度和更快的开关速度。 然而,与此同时,它们提出了与设计和表征,过程监控和可靠性相关的复杂挑战。 高级流程节点的挑战变得更加困难。

FIB电路编辑技术继续改进

有一种相对常见的误解,即FIB电路编辑仅适用于90nm和65nm工艺节点,并且它在任何下方都“耗尽了气体”。 这是不正确的。 由于工作和方法的进步源于专业团队运行数千个电路编辑小时/月的经验,FIB电路编辑现在可以用于更精确的光束引导,在更小的区域中操作,在两者上执行更复杂的操作设备的背面和正面,以及处理铜层。

FIB电路编辑的一个主要开发领域是工具能够为较小的切割提供更好的宽高比,作为解决方案的一部分。 由于离子束分辨率,操作软件和CAD导航等领域的进步,FIB系统继续提供更大的优势。 单独的离子束分辨率提升已经提供了重要的新功能,这些功能对于识别小特征,帮助可视化端点,实现精确的CAD对齐以及提高盒子放置精度至关重要。 图4显示了从2008到现在已经实现的分辨率提升。

图4左边的图像显示了90中2008nm工艺的位线,而右边的图像显示了今天的子25nm器件的位线。 (照片由DCG Systems提供)

图4 左边的图像显示了90中2008nm工艺的位线,而右边的图像显示了今天的子25nm器件的位线。 (照片由DCG Systems提供)

然而,工具的进步只是故事的一部分。 由于FIB工具并非完全自动化,因此没有低估FIB操作员体验对电路编辑成功的重要性。 例如,终点检测或知道何时成功蚀刻所选择的感兴趣层的能力继续需要高水平的技能以实现高成功率。 在较小的几何形状和特别具有挑战性的FIB操作期间,该领域的操作员技能更为重要。 同样重要的是在IC电路,IC工艺技术,离子铣削模式和一般FIB工具使用基础等领域的独特操作员知识。

对于内部操作来说,实现这种专业知识可能很困难。 通常,已经进行某种程度电路编辑的大型半导体公司将通过外部服务实验室来增加这些资源,这些实验室在解决最棘手的FIB电路编辑挑战方面具有更深入和更广泛的经验。 至于中小型公司,很少有人能够承担购买可能花费1百万或更多的FIB工具的费用。 即使他们能够负担得起这个工具,也很难为拥有必要经验的团队配备最有效的操作方法。 大多数这种规模的公司倾向于直接进入可以实现电路编辑的外部实验室,以支持基本的电气设计表征或重新设计参数的验证,并提供解决困难的逻辑故障和其他异常所需的全套调试工具。

FIB电路编辑的最佳实践

FIB电路编辑成功有许多先决条件,包括:

  • 工具:高分辨率对于高级节点(例如28nm和20nm)尤其重要。 设计通常需要.1um的分辨率(或长宽比)以及支持更精细分辨率的挖沟方法,以便进行这些编辑。 当今设备可以制造的最小孔为0.1×0.1um,长宽比为1/20。 对于大多数20nm和28nm设计,不可能制造出足够小的孔来达到目标​​。 结果,需要专门的FIB技术以降低纵横比并获得对目标的访问权限。 该系统必须能够平稳地去除目标金属层上方的伪金属。 这也需要对IC电路和工艺,FIB工具和离子铣削图案有深入而广泛的了解。 图5显示了典型的背面沟槽。

图5今天的挖沟方法支持足够精细的分辨率,以便在高级节点上启用FIB电路编辑。

图5 今天的挖沟方法支持足够精细的分辨率,以便在高级节点上进行FIB电路编辑。

  • 背面和正面编辑:许多人错误地认为flipchip FIB电路编辑只能从设备顶部执行,并且无法进行背面或正面编辑。 相反,背面编辑通常是最有效的操作方式。 这可能是因为倒装芯片封装中的基板材料,或者是因为当今IC中金属电路层的数量增加,这使得从顶部进行编辑时更难到达下层。 图6显示了一个背面FIB电路编辑,其中在两个节点之间引入了一个电阻。

图6背面FIB电路编辑用于在两个节点之间引入电阻。

图6 背面FIB电路编辑用于在两个节点之间引入电阻器。

在另一个例子中,图7示出了典型的背面FIB电路编辑,其中形成探针垫用于微探测。

图7高分辨率挖沟可在高级节点上进行编辑。 [图片由FIB International Inc.提供]

图7 高分辨率挖沟可在高级节点上进行编辑。 [图片由FIB International Inc.提供]

  • 处理铜层:大多数28nm和20nm器件都是铜器件,其晶体结构很难平滑地去除。 需要特殊的方法以及工程师的经验,以便能够以非常高的质量平稳地去除金属。 而且,由于电路图案的不可见性,精确的光束定位对于铜金属器件更具挑战性。 如果在顶层没有可识别的独特图案,这对铝金属设备也很重要。
  • 伴随故障分析和测试工具,专业知识和能力:由于大多数设备必须最终进入封装,因此应该平滑过渡到设备的去封盖或去封装以及执行微探测和其他调试测试。 FIB编辑的部件。
  • 前端专业知识:除了因不断缩小的纳米级几何图形带来挑战之外,半导体先进技术节点还随着工艺的发展引入了新的前端材料。 FIB电路编辑实验室可以从以较大水平的前端过程理解和材料专业知识为特征的更大的实验室环境中受益。 支持过程研发活动和良率支持的实验室将致力于提供优势和见解,以及其他有助于最大程度地提高FIB电路编辑策略成功率的专有技术。

增长值

随着行业向下移动纳米级几何曲线,IC设计验证和验证将继续增加难度。 虽然有些人可能认为FIB电路编辑在当今的高级节点上已经过时,但实际上这对于提高这些设计的成功率来说变得越来越有价值,这些设计通常需要花费数千万美元或更多才能推向市场。 由于工具技术和最佳实践的进步,FIB电路编辑可用于高级节点,用于各种目的,包括调试和验证修复,以及在过程的早期阶段,以探索设计优化的机会,而无需承诺昂贵且耗时的全面罩旋转。

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