發佈日期：2021/7/65奈米電路修補
發佈單位：iST宜特
7奈米、5奈米的晶片金屬線徑微小、金屬間距極窄，
修補過程中如何維持電性完整正確?
隨著摩爾定律，目前市面上可見到的晶片已從10奈米、7奈米不斷微縮5奈米製程，宜特FIB電路修補實驗室，陸續收到5奈米(nm)製程，必須從晶背進行電路修改樣品。這是從2018年首度完成7奈米(nm)製程的樣品後，再次挑戰更先進製程的電路修補，並成功的完成挑戰，協助客戶進行晶片性能優化，加速產品上市。本期宜特小學堂將與您分享，如何藉由多年的成功經驗，完成7奈米、5奈米等級以下的先進製程IC晶背電路修補技術。
5奈米電路修補
FIB (Focus Ion Beam)聚焦離子束電子顯微鏡，是利用鎵(GA+)離子源透過電場牽引成離子束，高速碰撞樣品表面產生二次離、電子收集後成像；而離子轟擊過程中利用注入不同氣體，對晶片上各種材料進行選擇性地加速或減緩蝕刻，以及沉積導電和介電絕緣材料，達到修改電路的目的，搭配CAD導航系統輔助，準確的定位目標，提高電路修補精準度。
蝕刻機制
沉積機制
一、IC 設計產業中不可或缺的戰略技術-FIB 電路修補技術（Focus Ion Beam）
先進製程的開發成本越趨昂貴、晶圓產能短缺交期更長，即使電路模擬軟體(如EDA工具)的輔助設計不斷提升，仍無法確保晶片成品能百分之百達到設計目標，一旦發現電路瑕疵只能再次進行光罩改版；然而光罩價格不斐，且重新下光罩後，等待修改過後的晶片時間通常超過一個月，因此，多數IC設計業者，會選擇IC電路修補，只需幾個小時內即可完成修改，確保電路設計符合預期，並降低時間及金錢的成本耗損。
二、先進製程晶片金屬層間距極窄，難度大提升
本案例的晶片電路修補，目的是要將M1 的訊號斷路(圖一)，目標點區域為最小金屬層設計尺寸(MMP)，在218nm 的距離內佈局4根訊號線。然而無論是7nm或5nm的晶片，金屬層的間距都相當窄(約小於10nm)，電路修補施工難度都相當高，令其他同業望IC興嘆、束手無策。
例如圖一，此為較不佳的先進製程電路修補案例，目標點蝕刻區域變形(藍色箭頭)、且周圍金屬層扭曲受損(黃線)，以及底層暴露(白色箭頭)，恐造成電路受損或短路等電性異常問題，大幅度降低電路修補成功率。
圖一: 目標點蝕刻變形(藍色箭頭)，金屬層扭曲且受損(黃線)，多處底層暴露(白色箭頭)。
圖二: 影像清晰，極窄的間隙可清楚辨識，蝕刻移除空間(黃色箭頭)僅40*100nm，且兩側金屬保留完整未受損；黃框位置與相鄰的金屬層間隙大，若進行切割難度降低許多。
為了克服此先進製程電路修補難關，宜特利用極小40*100nm 的空間(參見圖二，黃色箭頭處)精確地將目標點切除，更為困難的是兩側金屬層的間距極窄(約小於10nm)，在切除過程中，沒有因為緊鄰目標點而受到損傷破壞，維持電性完整正確，整體的困難度很高；若對比黃框標示位置，雖為同一金屬層，但兩側金屬間距大，施工難度相對較低。
三、 如何克服先進製程晶片電路修補難關- 從晶背著手
當先進製程發展至極小奈米，包裝型式多數為覆晶包裝技術(FCBGA、CIS-BSI等)或稱「倒晶封裝」，晶片正面將有一層電路板基板(PCB Substrate)，因此FIB電路修補就必須從晶背來執行，當從電路源頭來執行時，經常可簡化施工內容，以提高成功率(圖三)。
圖三: 路徑追蹤示意圖，假設此先進製程為 9M+AP，從晶片正面(Front side) 施工M4，需要穿過6層金屬層(Metal: AP~M5) 難度高；若改由晶背(Back side)方向，僅需穿過Active Area (AA)層，並簡化內容在M1施工。
此外，從晶背施工還有幾項優勢，例如擁有低深寬比優勢，影像擷取較佳，精準度更高，施工工時縮短(參考圖四、五)。
再者，也可藉由縮短工時，減少離子束(GA+)對晶片長時間的電荷累積，而造成電路受損的疑慮，降低不可控因子導致的失效問題。
圖四：晶片剖面圖深度比較，Back side 有低深寬比的優勢。
圖五：剖面示意圖，先削洗silicon substrate trench至N well 暴露，縮小範圍針對目標點進行電路修改，且接近電路源頭，可簡化施工內容。
四、 工欲善其事必先利其器-最先進的FIB電路修補工具
電路修補工具-FIB聚焦離子束設備能力，也隨著製程演進不斷的發展，無論在影像解析度、效能及準確度皆大幅提升。目前FIB工具搭配宜特電路修補技術不僅可完成5nm晶背電路修補外，Q1引進的最新設備(設備能量請點此)，其影像解析度更由4.5nm提升至3.5nm，提高深層、微小線徑及複雜電路修補的成功率，並且其介電材料有更高的電阻率 (1E15 uΩ-cm)，絕緣效果更加強化，挑戰更先進製程。
宜特是台灣首家執行FIB電路修補的民營實驗室，翻轉IC設計業以往的驗證模式，大幅縮短IC設計公司從概念設計到量產上市時間並節省研發經費，成立至今，已替業界完成超過369,130顆晶片的電路修補，27年的FIB電路修補經驗、搭配失效模式的大數據建立將如虎添翼，協助IC設計業者解決棘手的電路問題，本文與各位長久以來支持宜特的您，分享經驗，若您想要更進一步了解細節，歡迎洽詢+886-3-5799909 分機6000 王先生│Email: web_fib@istgroup.com。