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专访 | 从5nm时代看芯片失效分析的未来『芯片揭秘 195期』

木马童年 2020-5-21 13:15 156 0

2020 年 5 月 15 日清晨,世界最大的晶圆代工厂台积电正式宣布,在美国联邦政府及美国亚利桑那州的承诺支持下,兴建并运营一个晶圆厂,布局 5nm 工艺制程技术生产半导体晶圆。越小的工艺意味着更低的能耗、更强的性 ...

2020 年 5 月 15 日清晨,世界最大的晶圆代工厂台积电正式宣布,在美国联邦政府及美国亚利桑那州的承诺支持下,兴建并运营一个晶圆厂,布局 5nm 工艺制程技术生产半导体晶圆。越小的工艺意味着更低的能耗、更强的性能,但是同时也为失效芯片问题检测、质量优化等方面带来了考验。

赛默飞世尔科技公司(Thermo Fisher Scientific)是全球科学服务领域的领导者,帮助客户加速生命科学领域的研究、解决在分析领域所遇到的复杂问题与挑战、促进医疗诊断和治疗的发展、提高实验室生产力。

本期我们邀请到赛默飞的业务开发经理唐涌耀先生为我们解读失效分析在半导体领域未来的机遇和挑战。

专访 | 从5nm时代看芯片失效分析的未来『芯片揭秘 195期』

芯片揭秘主播幻实(左)对话 赛默飞业务开发经理唐涌耀经理(右)

以下由采访内容整理

下划线词汇文末有解释

本期话题:

1. FA 就是芯片医生

2.透射电子显微镜助力失效检测

3.人才融合,技术进步,发展空间大

FA 就是芯片医生

幻实(主播):

唐先生从事失效分析工作多久了?

唐涌耀(嘉宾):

我在芯片相关失效分析领域工作了 17 年左右。目前担任赛默飞业务开发经理,负责赛默飞材料科学部门半导体事业部的 EFA 业务拓展工作。

幻实(主播):

半导体 FA 主要分为哪几块?

唐涌耀(嘉宾):

传统的 FA(failure analysis,失效分析)里面最主要的分为 PFA 和 EFA,PFA 是物性失效分析,EFA 是电学失效分析,这两类分析方法都依赖于很多先进的仪器。

专访 | 从5nm时代看芯片失效分析的未来『芯片揭秘 195期』

芯片问题检测(来源:西安西谷官网、国海证券研究所)

幻实(主播):

赛默飞世尔科技公司是全球科学服务领域的领导者,但是您也提到目前国内部分失效分析还在开发完善阶段,今天想请您跟我们聊聊失效分析在半导体产业链中的作用和发展状况。

唐涌耀(嘉宾):

EFA 属于失效分析领域的一个部分,失效分析在整个半导体产业链中都有涉及,尤其半导体制造工艺中起到重要作用。打个比方,如果半导体有问题有故障,就像病人一样,FA 就像一个医生,医生要为病人看病并且做一些病因分析。

通常分析是需要一些数据和工具支持的,FA 的话也需要仪器,同时通过分析仪器收集到的数据来找到失效相关的原因,从而判断是什么原因导致的问题,得以改善这些问题。

所以失效分析在整个半导体生产流程中,包括设计、芯片制造、封装、测试以及最后的集成,都起到一个“医生”的作用。半导体从设计到制造,从封装到测试,都有各种各样失效的产品,这部分失效的产品不仅影响着客户使用,也影响到了产出质量。所以需要去找到失效的原因,找到诱因才能去改善。这也是为什么要进行失效分析的原因。

专访 | 从5nm时代看芯片失效分析的未来『芯片揭秘 195期』

半导体产业链中的失效分析(来源:国盛证券研究所)

透射电子显微镜助力失效检测

唐涌耀(嘉宾):

如今技术发展越来越快,从我刚毕业的时候加入国家芯片 909 工程,当时的技术较现在比较落后,接触到的工艺制程是 0.35-0.5 微米以及更大的制程产品。现在技术越来越先进,工艺制程也越来越小。

幻实(主播):

集成电路纳米尺度越来越小了,一根头发丝就有很多晶体管,失效检测的实现一定很困难吧。

唐涌耀(嘉宾):

是的,以前芯片的尺寸比较大,传统方法通过光学显微镜就可以看到缺陷。现在晶体管越来越小,给检测带来很大难度和挑战,传统的光学显微镜已经无法满足这样的需求了,所以现在必须利用电子显微镜。现在的分析技术更依赖于很尖端的仪器,尤其是选择电子显微镜可以看到纳米级别甚至更小的物理缺陷。

幻实(主播):

光学显微镜和电子显微镜的区别是什么呢?

唐涌耀(嘉宾):

主要是分辨率的区别,学校里很多使用光学显微镜去看生物结构,光学显微镜只能观察显微结构,如细胞、叶绿体等;而电子显微镜能够观察到亚微米以下的微观结构及形貌,即可以看见细胞器的结构以及病毒、细菌等。半导体工作使用透射电子显微镜,通过高能电子束打到样品上进行微观成像,分辨率非常高,可以分辨几纳米,甚至到亚纳米级别。

专访 | 从5nm时代看芯片失效分析的未来『芯片揭秘 195期』

ThermoFisher TEM 赛默飞扫描 / 透射电子显微镜,型号 Metrios DX(图片来源:ThermoFIsher)

专访 | 从5nm时代看芯片失效分析的未来『芯片揭秘 195期』

FinFET TEM 图片(图片来源:ThermoFisher)

幻实(主播):

比光学显微镜又深了一个层次?价格怎样?

唐涌耀(嘉宾):

是的。半导体芯片检测总归是基于材料的,材料都是由原子组成的,而透射电子显微镜就可以看到原子级别,用这些分析设备的话就可以进行检测分析。价格基于配置,价位不低。

幻实(主播):

更好的配置,性能可以获得怎样的提升?

唐涌耀(嘉宾):

检测要求在提高,图像分辨率要求也在提高。透射电子显微镜我们称为 TEM 穿透式显微镜,已经是材料学上极为有效的工具,能够获取高分辨率。不仅是芯片产业,手机面板等其它行业现在也对分辨率有更高的需求。

人才融合,技术进步,发展空间大

幻实(主播):

国内半导失效分析领域发展状况怎样?

唐涌耀(嘉宾):

近年来国家对科技很重视,从 2016 年开始大力发展半导体产业链,现在队伍越来越大,从技术角度来讲,我们部分领域跟世界一些先进技术的差距越来越小,大量的人才从欧美、韩国、台湾地区引进到大陆,本土的一些技术人员,技术能力也随之越来越强。这是我十几年来,特别是 2010 年以后,看到的最明显的进步,是一个很好的现象。这个领域发展的越来越好,越来越成熟了。

幻实(主播):

也就是说同行者越来越多了,您是怎么走上了这条路?为什么把它作为职业发展的方向?

唐涌耀(嘉宾):

是的,就 FA 领域,圈子比较小,现在去参加一些 conference 也好,会议也好,碰到的人可能都是认识的,也会有新人不断地补充进来,但大家都是经常接触的,圈子的里人都比较熟悉。总体来说圈子还是相对较小,所以专业性比较强。

毕业之后,我加入半导体制造公司,当时就进入了 FA 的团队,对这个工作的我觉得还是很感兴趣的。因为在学校里面学的也是微电子和材料物理这方面,也是属于专业对口吧,这一行对于我来说可能还有一种祖国情怀,做着做着就做了十几年。有很多原先在这个领域的朋友,现在都已经不做 FA 了,做这么长时间的 FA 确实比较少。

幻实(主播):

这个领域前景如何?

唐涌耀(嘉宾):

确实我们起步也比较晚,相对于一些先进的技术的差距也比较大,很多方面尤其是芯片制造这块的设备也好,材料也好,大部分都是从国外引进。当然现在差距在不断地缩小,还有很大的发展空间。

目前国家在大力推动科技发展,我觉得对于我国未来这一领域的发展,我还是很看好的。

幻实(主播):

之后的重点您认为是什么呢?

唐涌耀(嘉宾):

其实最关键的还是人才的培养和沉淀。我觉得对 FA 的话,其实在整个半导体的发展里面扮演的是检测和服务这样一个角色,能让整个产业链质量更高,产品更加可靠。这次很高兴国家能够大力的发展这个行业,我觉得未来肯定会越来越好,发展速度会越来越快。

幻实说

一般来说,集成电路在研制、生产和使用过程中失效不可避免,产业链上的失效会对企业造成大量的损失,客户手中的失效会影响到用户体验,甚至造成生命危险。随着人们对产品质量和可靠性要求的不断提高,失效分析工作也显得越来越重要。失效分析工程师像医生一样,研究失效芯片,开出解决问题的良方。随着制作工艺的提升,5nm 时代的到来,相信企业也会对产品质量愈发重视,失效分析会有更大的需求,失效分析工程师会有更大的前景和挑战,也希望有更多的人才加入到芯片医生的队伍。

硬知识加油站

1. 失效分析:

一门发展中的新兴学科,针对失效产品进行研究,找出失效原因,提高产品质量和工艺水平。

2.“909 工程”:

1996 年,我国集成电路发展严重落后,国家对建设超大规模集成电路芯片生产线的项目正式立项,俗称的“909 工程”,此后,上海华虹微电子与日本 NEC 公司合作,组建了上海华虹 NEC 作为该工程的主要承担者。

3. 亚显微结构:

指在光学显微镜下不能分别清楚细胞结构,电子显微镜可以的微细结构。

4. 透射电子显微镜:

可以看到在光学显微镜下无法看清的小于 0.2um 的细微结构,这些结构称为亚显微结构或超微结构。TEM 穿透式显微镜可达 0.2nm。

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