專家訪談丨中國“芯”飽受良率之痛，芯片制造該如何破局？

本期話題

芯片被稱為信息產(chǎn)業(yè)的糧食和“大腦”，是信息社會的基石，在信息化、智能化不斷加快的今天，芯片已經(jīng)成為戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)。可以說，芯片作為支撐中國經(jīng)濟(jì)持續(xù)高質(zhì)量發(fā)展、特別是支撐戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)崛起，其地位更是無可替代。然而，芯片制造是一項極為復(fù)雜和精細(xì)的工藝，很多重要環(huán)節(jié)都需要精密的檢測手段發(fā)現(xiàn)缺陷。本期“專家訪談”欄目邀請半導(dǎo)體顯微技術(shù)大咖、無錫廣電計量副總經(jīng)理陳振博士，暢談電子顯微技術(shù)在芯片、半導(dǎo)體檢測領(lǐng)域的應(yīng)用，破解芯片制造難題。

陳 振

無錫廣電計量副總經(jīng)理

復(fù)旦大學(xué)博士，上?！?a href="http://www.ttokpm.com/v/" target="_blank">科技創(chuàng)新行動計劃”專業(yè)技術(shù)服務(wù)平臺項目負(fù)責(zé)人，江蘇省第三代半導(dǎo)體器件性能測試與材料分析工程研究中心副主任，南京大學(xué)和西安電子科技大學(xué)碩士研究生兼職導(dǎo)師，所主持的先進(jìn)制程芯片顯微分析項目獲得2023年度上海市“十大檢驗檢測創(chuàng)新案例”。

精通多種顯微分析技術(shù)，在顯微分析技術(shù)領(lǐng)域擁有近10年的研究積累，主要從事半導(dǎo)體材料及工藝的顯微分析、芯片失效分析等相關(guān)技術(shù)的研究與工程應(yīng)用工作，具有豐富的為晶圓廠、封裝廠、芯片設(shè)計公司等提供半導(dǎo)體分析檢測服務(wù)的經(jīng)驗。參與多項國家級研究課題，發(fā)表SCI論文及英文論著十多篇。

芯片先進(jìn)制程不斷迭代 良率危機(jī)凸顯

隨著集成電路制造技術(shù)的不斷發(fā)展，芯片結(jié)構(gòu)和功能日益復(fù)雜，芯片的制造難度也日益增加，新材料、新工藝的導(dǎo)入為芯片設(shè)計、生產(chǎn)和制造帶來了全新的挑戰(zhàn)，特別是工藝制程不斷迭代，芯片關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的尺寸逐漸減小到常規(guī)檢測手段無法觀測的納米級尺寸。芯片晶圓制造工藝中的微納結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)分析，是提升芯片制造良率和產(chǎn)品性能的關(guān)鍵，也成為芯片晶圓制造行業(yè)普遍關(guān)注的問題。

芯片良率就是晶圓上合格芯片數(shù)量與芯片總數(shù)的比值，這個數(shù)值越大，說明有用芯片數(shù)量越多，浪費(fèi)越少，成本也就越低，利潤越高。芯片制造的每一個階段，從晶圓制造、中測、封裝到成測，每一步都會對總良率產(chǎn)生影響。

芯片良率如此重要，全行業(yè)都非常關(guān)注，晶圓廠、IC設(shè)計企業(yè)、半導(dǎo)體設(shè)備和材料廠商，以及行業(yè)科研機(jī)構(gòu)都在進(jìn)行各種研究探索，為提升芯片良率添磚加瓦。在此背景下，分辨率可達(dá)到原子尺度的電子顯微技術(shù)，如透射電子顯微鏡（TEM）等，就成為了芯片制造工藝監(jiān)控、失效分析、良率提升、工藝研發(fā)和失效分析必不可少的工具。

擦亮工業(yè)“眼睛” 突破“卡脖子”技術(shù)

人眼的分辨能力大概只能到0.1-0.2mm，光學(xué)顯微鏡的分辨能力大概只能到0.2um左右，如果想觀察更微小的結(jié)構(gòu)，就需要借助到基于電子顯微技術(shù)的電子顯微鏡去實現(xiàn)。電子顯微鏡是一種借助電子束作為光源，利用電磁透鏡聚焦成像的高端科學(xué)儀器。它能讓人看到納米級的微觀世界，近些年發(fā)展的高分辨透射電子顯微鏡甚至可以讓人看到皮米級的原子像。電子顯微鏡的出現(xiàn)，把人們由宏觀世界引入到了微觀世界，極大的促進(jìn)了當(dāng)代科技的發(fā)展。

在工業(yè)發(fā)展中，電子顯微鏡是工業(yè)的“眼睛”，尤其是高科技相關(guān)領(lǐng)域的工業(yè)應(yīng)用中，電子顯微鏡可以說具有極其重要的地位。電子顯微鏡常見的主要有三種，分別是透射電子顯微鏡（TEM）、掃描電子顯微鏡（SEM）和聚焦離子束電子顯微鏡（FIB）。

在芯片領(lǐng)域，為了不斷提升芯片性能，制造商們需要將芯片內(nèi)部的晶體管陣列設(shè)計得如同城市網(wǎng)絡(luò)般復(fù)雜紛繁，達(dá)到在芯片中容納更多晶體管的目的。因此，晶體管尺寸被設(shè)計得越來越小，它們之間的距離也靠得越來越近。如此精密的設(shè)計與排布，也令到行業(yè)遇到一個難題：如何才能在不破壞芯片的前提下，去觀察芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)？電子顯微鏡的應(yīng)用，讓工程師們能夠看清楚芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，確保完工的芯片結(jié)構(gòu)與最初的設(shè)計相吻合。

洞悉芯片微觀構(gòu)造 良率提升的關(guān)鍵手段

基于電子顯微技術(shù)的電子顯微鏡，如透射電子顯微鏡、聚焦離子束電子顯微鏡等，在半導(dǎo)體制造領(lǐng)域具有非常廣泛的用途，如晶圓制造工藝分析、芯片失效分析、芯片逆向分析等，成為了精準(zhǔn)解析先進(jìn)制程晶圓制造工藝中微納結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵設(shè)備。

在半導(dǎo)體制造領(lǐng)域如芯片的晶圓制造領(lǐng)域，電子顯微鏡通常會作為新工藝研發(fā)、量產(chǎn)導(dǎo)入驗證、量產(chǎn)工藝監(jiān)控、量產(chǎn)良率提升和失效分析的分析手段，電子顯微鏡的使用，貫穿于大部分關(guān)鍵的芯片晶圓制造工藝段，如刻蝕、薄膜生長等工藝段，可以說，電子顯微鏡是工程師的眼睛，工藝監(jiān)控和調(diào)整，時刻離不開電子顯微鏡的輔助。

除了應(yīng)用在半導(dǎo)體制造領(lǐng)域外，電子顯微鏡還在半導(dǎo)體設(shè)備研發(fā)、新材料研發(fā)、新型微納器件研發(fā)制造等領(lǐng)域具有非常廣泛的應(yīng)用。

在半導(dǎo)體設(shè)備研發(fā)領(lǐng)域，尤其是刻蝕設(shè)備和薄膜生長設(shè)備的研發(fā)，電子顯微鏡也充當(dāng)了工程師的眼睛，是工程師驗證設(shè)備性能的關(guān)鍵分析手段。

在新材料研發(fā)領(lǐng)域，如鐵電材料、超導(dǎo)材料、新型電極材料、特種合金材料的研發(fā)等，電子顯微鏡也是關(guān)鍵的分析手段，可以借助電子顯微鏡的電子衍射、電子能量損失譜、電子能譜儀、高分辨成像等從極微觀的角度來分析材料的基本特性，包括原子組成、原子構(gòu)效關(guān)系、晶體結(jié)構(gòu)、微區(qū)化學(xué)成分等，從而指導(dǎo)新型材料的研發(fā)。

在新型微納器件研發(fā)制造領(lǐng)域，如半導(dǎo)體器件MEMS、激光器芯片、量子芯片等，電子顯微鏡也是輔助人們進(jìn)行微納結(jié)構(gòu)設(shè)計、解剖、性能優(yōu)化和量產(chǎn)良率提升的關(guān)鍵手段。

聚焦顯微分析技術(shù)領(lǐng)域 找準(zhǔn)“中國芯”對策

4nm制程晶圓級TEM分析圖

國家正大力攻關(guān)集成電路領(lǐng)域，著力解決高端芯片 “卡脖子”問題，加快自主創(chuàng)新步伐。廣電計量擁有透射電子顯微鏡（TEM）、雙束聚焦離子束（DB FIB）、掃描電子顯微鏡（SEM）等電子顯微分析常用到的高端設(shè)備，在半導(dǎo)體顯微分析相關(guān)領(lǐng)域具有豐富的經(jīng)驗，能夠更好地服務(wù)我國芯片設(shè)計及制造企業(yè)，保障自主知識產(chǎn)權(quán)安全。

在晶圓制造工藝分析方面，可以提供4nm及以上先進(jìn)制程晶圓制造工藝分析、存儲芯片晶圓制造工藝分析等；

在芯片失效分析方面，可以提供芯片失效點(diǎn)位置微觀形貌及微區(qū)成分分析，包含漏電、短路、燒毀、異物等異常失效點(diǎn)位的平面制樣分析、截面制樣分析以及平面轉(zhuǎn)截面分析。包含形貌觀察、尺寸量測、微區(qū)成分分析，可精準(zhǔn)到1.0 nm以內(nèi)；

在芯片逆向分析方面，可以提供各種半導(dǎo)體器件關(guān)鍵微納結(jié)構(gòu)的解析能力，包括關(guān)鍵工藝結(jié)構(gòu)解剖、尺寸量測、微區(qū)結(jié)構(gòu)成分分析等；

在封裝工藝分析方面，可以提供封裝工藝異常分析，如TSV孔、Via孔、RDL布線層、凸點(diǎn)等異常分析；在半導(dǎo)體工藝分析方面，可以提供刻蝕設(shè)備工藝、成膜設(shè)備工藝的異常分析；

在材料分析方面，可以提供高分辨原子級成像分析、微區(qū)材料成分定性分析、晶格缺陷分析、析出相分析等。