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先進製程失效分析大解密!掌握其中的關鍵技術

2022/09/10

現今 IC 產業發展的趨勢中,先進製程一直扮演著先軀的角色,靠著台灣護國神山台積電獨步全球的研發能力,使得摩爾定律得以延續。而先進製程的特點除了元件縮小、相同面積可塞進更多的電晶體以外,還具有較快的反應時間,因此採用先進製程的 IC 皆是應用在需要大量運算的產品類型上,比如手機處理器、繪圖處理器、資料中心伺服器或者採礦機,在台積電產品劃分上也可明顯看出此類 IC 在台積電營收有舉足輕重的地位。圖一即是 2021 年台積電 5 大產品類型的佔比,其中高效能運算(High Performance Computing, HPC)的營收佔比不僅達 37%,其成長率也高達 34%,現今的規模與未來的成長皆佔有不少的份量,也透露出在失效分析上有其相當的需求性。

 

圖一 2021 台積電各類產品應用營收佔比與成長率(資料來源:2021 台積電 Technology Symposium

 

先進製程的 IC 還有其它幾個結構與材料上的特點,比如電路設計的複雜程度較大的 die size採用先進的封裝立體的 FinFET 元件特殊的 metal 與介電材質等等,相較於傳統製程的設計,再再地增加失效分析上的難度,藉著新型分析機台的誕生與新分析技術的開發,閎康在先進製程分析上獲致極大的進展,以下將針對關鍵分析技術一一說明。

 

 

SIL 高精密度亮點定位

Solid Immersion Lens(SIL)是一半球型高折射率的固態材料固定在鏡頭前方,拍攝時需貼附在樣品上,其目的是在增加數值口徑(Numerical Aperture, N.A.),即增加集光力,進而提高解析度,達成先進製程精密定位之要求,提升後續尋找缺陷的成功率。圖二說明 SIL 之原理,藉著半球型的 SIL 擴展了集光的角度,也就是增加了 N.A 值,另外從 spot size 的公式也可清楚地了解到,配備 SIL 的鏡頭具有較小的 spot size,可辨認更小的尺寸,因此傳統鏡頭的物鏡倍率只能到 100 倍,而 SIL 鏡頭的倍率可高達 350 倍,解析能力立刻比傳統的定位方式提升 3.5 倍,圖三即顯示了此鏡頭的優異性,即便是 5nm 的產品,也可清楚地定位到單一元件。

 


圖二 SIL 的原理示意圖,其中 spot size 公式中的 n 為折射率、λ 為波長、θ 為入射角

 


圖三 傳統鏡頭與 SIL 鏡頭拍攝影像的比較(資料來源:ThermoFisher Meridian Introduction

 

研磨技術

1.手工研磨

在積體電路失效分析的流程中,定位完成後通常是進行去層的樣品製備,隨著製程越來越小,金屬介電層(inter-metal dielectric, IMD)也越來越薄,每一層的去除考驗著人員的經驗與細心,另外緩衝層氮化鉭TaN)與低介電常數介電層的使用造成了嚴重研磨的層差,使得觀察範圍變得非常狹窄,所幸靠著閎康研發團隊的努力,已經研發出特殊化學配方可以解決層差的問題,讓觀察範圍擴大幾百 um 的大小,此不傳之秘就像可口可樂的配方一樣,鎖在沒人知道的地方。

 

2.自動研磨

晶背減薄亮點定位上是常用的手法,尤其先進製程的金屬層高達十幾層,不易由晶片正面測得亮點,而封裝的方式也常採用覆晶式(flip-chip)的架構,再加上先進製程的發光效率不若傳統製程,所以晶背亮點使用得非常頻繁。當然晶背減薄在先進製程上成為必經的樣品製備手段,但是當晶背厚度到了 100um 以下時,晶片的翹曲(warpage)便會產生,研磨上的應力就易造成 die crack 的問題。閎康目前的自動研磨機台可以依晶片的翹曲程度自動調整,減少製備失敗的風險、增加研磨的平坦度,更重要的是,此自動研磨機具有量測厚度的功能,可以精準控制厚度在 1um 的範圍內。前文提及的 SIL 鏡頭對晶片厚度是有要求的,因此 SIL 鏡頭自動研磨機是非常速配的組合,甚至未來到了需要用到晶背可見光定位技術的時候,晶片厚度必須到 5um 這麼薄的厚度,此時更非自動研磨機不可了。除了應用於晶背研磨,其它諸如晶片正面封裝結構皆可運用,應用極其廣泛。

 


圖四 各類型產品的自動研磨(資料來源:X-prep Product Information Guide

 

3. P-FIB delayer

在晶片去層的方法中,除了手動研磨以外,P-FIB delayer(去層)是另外一種選擇,P-FIB 是利用氙離子進行大範圍的平面蝕刻,最大可達 200um x 200um,它除了可符合平坦度的要求以外,最重要的一點是它可降低積碳的現象。所謂積碳是指—樣品在處理過程中會經過化學藥劑和研磨液的處理,或者會受到一些微不可見的髒污,這些非樣品本身的外來物主要是碳氫化合物的組成,即便清潔後多少會在晶片上殘留,在 SEM 下經過電子束的照射,碳氫鍵結被打斷,在樣品上濺鍍碳的污染物。這個非預期的濺鍍層影響了觀察不說,更會影響後文將提及的奈米探針(nano-probe)的接觸,因此先進製程中如果要進行 nano-probe 的話,P-FIB delayer 是絕對必要的一個步驟

 

圖五 先進製程利用 P-FIB delayer 的範圍與顯示的 via

 

EBAC

數位電路為了在測試時就能篩選出問題,會在電路上加進 DFT(design for test)的設計,經過此測試會得出可能的失效路徑叫做 scan path,此缺陷可能產生在此路徑上的任何位置,此路徑經由 interconnect 即 metal / via 的走線傳遞訊號,傳統上通常會採取逐層去除、逐層觀察的方式找出缺陷,可想而知,這種土法煉鋼的方式隨著觀察區域變大、線徑縮小,成功率將變得慘不忍睹。

 

為了成功定出確切的缺陷位置,最有效的方式為在動態測試時進行亮點定位,最常見的有 LVP(laser voltage probing)TRE(time-resolved emission),但此類驗證方式對大多數公司來說花費昂貴,並不是個經濟的方法,而 EBAC 既然可以顯示出 interconnect 的繞線路徑,那麼此技術就有可能找出繞線的缺陷,抓出 scan fail 的故障真因。因此,如果能從測試中先找出有問題的訊號,即可利用 EBAC 在此訊號對應到的 metal line 上扎針,定位出可能的缺陷位置,在數位電路上的失效分析不失為一項利器,尤其是更先進的製程上。

 


圖六 EBAC 可以顯示與扎針處相連如迷宮般的 metal 走線(interconnect

 

EBIRCH

EBIRCH 的全名為 Electron Beam Induced Resistance Change,它跟 OBIRCH 的差別在於其激發源為電子束,而非紅外光,除此之外原理皆相同,從此便可了解到既然是以電子束為激發源,那麼其解析度就比 OBIRCH 來得優異。 OBIRCH 是下針在 die PAD,進行晶片裡缺陷的定位,此時還不知道缺陷在何處;而 EBIRCH 必須事先知道有問題的訊號線,才可下針在對應的 metal line 或 via / contact 上,在此前提下可定出精準的缺陷位置,與 layout 搭配判斷後,即可繼續進行樣品置備與物性的觀察了。

 


圖七 經由 nano-probe 確認 gate short to source 後, EBIRCH 成功定位出缺陷位置

 

Nano-probe

在去層到底層後,有時還找不到缺陷,深怕繼續下去看不到失效點,平白浪費一個樣品嗎?那麼使用 nano-probe 直接量測元件的電性行為,確認漏電路徑後便可輕鬆擬定後續的 PFA 步驟。Nano-probe 在 SRAM cell 的量測也是不可或缺的工具,雖說直接以 plan-view TEM 查找缺陷是個快捷的路徑,但以閎康在 FinFET SRAM 分析將近百顆的經驗,有不少的案例是 P-V TEM 不易看出的,此時藉助 nano-probe 電性的量測才能判斷出異常的位置,進而做出正確截面位置的選擇。

 

Nano-probe 有兩種機型,分別是 AFM-based 與 SEM-based,閎康在 AFM-based nano-probing 經營多年,累積了豐富的經驗,已積存了非常可觀的 nano-probing + PFA 分析資料庫。目前量測到 12nm FinFET 的成功率幾乎是百分之百,以 AFM-based nano-probe 量測的好處是操作效率高,沒有電荷累積造成電性飄移的問題,對大多數公司來說仍是首選的機台。隨着製程演進到 7nm 以下,AFM-based nano-probe 面臨到機台的極限,此時 SEM-based nano-probe 便派上用場了!目前閎康與各國際大廠合作,已然量測到 5nm 的產品,為其它想要進入 7nm / 5nm 製程領域的廠商鋪墊了穩固的基石。

 


圖八 12nm FinFET SRAM 的量測


圖九 7nm FinFET SRAM 的量測

  

圖十 7nm FinFET SRAM 的量測結果


圖十一 電路特性量測

 

3D TEM

由於 FinFET 元件過小,即便已確認缺陷所在位置,也無法用 FIB 邊切邊找缺陷的方式來進行,一方面是解析度的問題,另一方面也可能是缺陷過小而有所遺漏,因此較適合利用高解析度 TEM 來觀察。以 TEM 觀察的方式會分成兩步驟,第一是先執行 P-V TEM 做大範圍的觀察與確認缺陷位置,第二才是針對可疑的缺陷執行 X-S TEM,雖然分了兩道工序,但是大大地提高了分析成功率。此兩步驟的 TEM 觀察法既觀察到了平面,也檢視了截面,故稱之為 3D TEM,此法大量地運用在 FinFET 製程上,是整道 total-solution FA 的最後關鍵。

 


圖十二 左圖為 FinFET 的平面示意圖,以 P-V TEM 觀察後,選定好切面的位置再轉切 X-S TEM,右圖為 X 方向的切面示意圖,目的主要是觀察 gate oxide 的問題