我们的目标是使用fab-like方法在实验室里,但这并不容易。
一些芯片制造商正在一些主要的变化表征/计量实验室,增加fab-like过程在这组帮助加速芯片开发时间。
的描述/计量实验室通常在雷达下,一群研发组织和工厂工作。描述实验室参与了早期的分析工作为新一代设备,包和材料。使用先进的计量设备,实验室的目标是描述或更好地了解新技术在原子尺度的化妆。实验室能定位缺陷和其他设备中存在的问题,最终可以提高产品产量。
历来有实验室和工厂之间的描述,和两个组织经常在筒仓工作。实验室提供了先进的分析功能,但慢的设备。工厂,生产芯片,还有先进的计量工具和其他设备,往往有更快的吞吐量。
对于一些公司来说,计量实验室的角色正在发生变化。设备,包和材料正变得越来越复杂,但是芯片和/或包装供应商的压力维持生产计划,甚至加速。否则,他们可能会错过市场窗口。
实验室继续处理传统的分析工作,但工厂希望更快的结果。所以一些芯片制造商在实验室里实现更多fab-like流程。例如,英特尔是一些自动化工具,进行更多fab-like测量,机器学习和部署技术。更重要的是,英特尔的研发、实验室和工厂团队工作更紧密地合作来加速表征过程。英特尔是指这是一个“整体测量策略。”
”实验室的一个关键目的是提供基本的学开车在过程开发周期的早期数据驱动的决策,尤其是在设备和流程交互变得更加复杂,”马库斯·库恩说,技术总监和工程经理英特尔。“技术挑战是开着工厂实验室能力满足计量的需要。满足工厂需求,实验室能力需要提高关于自动化和生产力”。
三星,台积电和其他类似的方向移动,分析师表示。我们的目标是加快学习的周期,抢在竞争对手。“这都是关于信息,”Dan Hutcheson说VLSI研究的首席执行官。“你可以学习越快越快,你可以到下一个节点。是谁先。”
这种转变的副产品,芯片制造商看到相关的趋势。他们正在设备变得更加复杂,对一些先进的计量实验室的工具到工厂。这一趋势并不新鲜,有据可查。
然而,芯片制造商面临着一些挑战。在实验室里,他们想要更多的自动化与现有平台和硬件的改进。工具成本也是一个问题在实验室和工厂。
技术挑战
基本上,一个芯片由三部分组成——晶体管,接触和互联。晶体管作为开关的装置。尖端芯片包含了数以十亿美元计的微小的晶体管。
的互联在晶体管,包括小铜线计划传输电信号从一个晶体管到另一个。然后,一层称为middle-of-line连接晶体管和互连件使用微小的联系结构。
图1:在一个晶体管。来源:维基百科
从2011年开始,芯片制造商从传统的平面晶体管迁移到finFETs 22纳米。铸造厂搬到finFETs 16 nm / 14 nm。在finFETs,电流的控制是通过实现一个门上的每个鳍的三面。
FinFETs更快比平面晶体管功率较低,但他们也越来越贵。因此,研发和设计过程成本飙升。现在的节奏完全扩展节点扩展从18到30个月。
图2:FinFET与平面。来源:林的研究
仍然受AI 5 g,数据中心和移动应用,芯片制造商是迁移到下一个节点。他们正在加大在研发5与3 nm。
在这些节点,制造业升级的挑战。其他问题也出现了。“在边缘节点,这些芯片是巨大的。十字线领域,在某些情况下,也许只能维持少数这些芯片。在某些情况下,收益率并不是很好,”沃尔特·Ng说,业务发展副总裁联华电子。
尽管如此,从3 nm和/或2 nm,芯片制造商计划从finFETs迁移到新一代晶体管称为nanosheet场效应晶体管。一个nanosheet场效应晶体管是finFET的门周围包裹。
“有更多的复杂性在纳米线或nanosheet finFET比。有新工艺,这些都是非常具有挑战性,”首席技术官里克Gottscho说林的研究。
并不局限于逻辑的挑战。例如,供应商运输各种下一代记忆,如相变存储器和STT-MRAM。这些记忆是快与无限的耐力,但他们需要一些新的创新在市场上获得更大的份额。
“复杂性等,会随着新材料的引入,特别是对于类似MRAM堆栈,这不仅复杂,而且还对工艺条件敏感,因此很难垂直刻蚀,”Gottscho说。“这就是为什么到目前为止,你看不到任何高密度独立MRAM。你看到它被嵌入的逻辑,它是材料的结果。”
图3:MRAM单元。来源:维基百科
然后,在研发、芯片制造商正在其他技术,包括二维材料、碳纳米管和场效应晶体管互补。也在研发新一代包。
并不是所有的技术研发将投入生产。最终的赢家和输家是由成本决定的,功能和可制造性。
在计量实验室
对当前和未来的技术,表征实验室起着很大的作用。实验室正在前线。下一代芯片、包和材料会去分析实验室首次描述和集成工作。有时,一个设备的工厂可能会遇到问题。所以工厂将呼吁实验室处理失效分析的任务。
实验室使用各种计量和失效分析设备。一些设备专门用于实验室,而另一些则发现在实验室和工厂。
使用这些工具,我们的目标是描述原子尺度的图像设备和它们在三维空间中。以一个新的晶体管为例。“我们正在研究各种功能、接口、材料和电器元件的晶体管。我们试图工程师门栈和源/漏。我们正在寻找替代材料。我们在寻找模式功能和富达在纳米尺度上。而这仅仅是一个晶体管,”英特尔的库恩说。“我们也想知道每个原子,它是什么。不仅仅是原子在哪里,它是什么,但它是如何保税或有何影响电子态接口或原子的集合。”
传统上,实验室提供的数据,然后手结果工厂。一旦工厂的设备,实验室不参与。
这是在一些公司开始改变。“所有这些新材料的技术挑战和架构正在推动我们。它推动我们形成更fab-like如何生成数据,”库恩说。
表示在最近的座谈会在VLSI技术和电路,库恩提出了如何表征实验室越来越工厂。它们是:
更重要的是,实验室里不再是一个筒仓——至少对于一些。在英特尔和其他研发团队,以及实验室和工厂紧密合作,帮助加快这一进程。
然而,实验室和工厂是分开的,每一组都有不同的特许学校。但描述一个给定的设备,实验室和工厂一般都将部分设备成不同的类别,如尺寸、组成、掺杂物和压力。
没有一个计量工具可以处理所有的需求。实验室和工厂可能需要一个或多个工具对于一个给定的类别。在实验室里一些系统是缓慢的,但他们仍然做这项工作。其他人被自动化。一些还没有速度。
所有实验室配有维计量工具。为此,给定工具提供关键尺寸(CD)测量设备,如高度、长度和宽度。对于cd,实验室可能使用临界尺寸扫描电子显微镜(CD-SEM),它需要自上而下的测量结构。他们也使用CD光学设备,它利用偏振光来描述设备。
实验室还使用各种x射线计量系统。也许最有前途的和令人沮丧的技术称为临界尺寸小角x射线散射(CD-SAXS)。用x射线波长小于0.1纳米,CD-SAXS利用可变角度传输散射技术从一个小光束大小提供测量。
“CD-SAXS可以解决CD, CD障碍,和电子密度层之间的差异,”约瑟夫·克莱恩说,NIST材料工程师。“CD-SAXS也可以测量埋结构和光学不透明层。”
几家公司出售CD-SAXS工具,主要用于研发。英特尔、三星、台积电和其他人CD-SAXS工具在实验室里。
CD-SAXS提供了先进的测量,但是它太缓慢而昂贵的工厂。x射线源是一个大问题。这不是明亮的或不够强大,吞吐量的影响。一些但不是全部的其他x射线计量工具面临类似问题。
不过,CD-SAXS正在进展在某些应用程序中,使用诸如高纵横比结构在内存中。“记忆,结构深。散射是好的,有一个清晰的路线图,约1分钟或更少的网站,“力量的产品管理总监Paul Ryan说。”逻辑,这项技术还在概念阶段。预计将有挑战的x射线强度。”
其他实验室工具取得更多的进展,如恰当,西姆斯。这些系统广泛应用于实验室传统的鉴定工作。
一般来说,在实验室里,原子探针断层扫描(APT)和二次离子质谱(SIMS)是用于检查芯片的掺杂物。掺杂物的元素修改芯片的电导率。它们包括硼和磷。
APT还用于金属、应变和其他应用程序。“往往是唯一的材料分析技术对3 d成像提供了广泛的功能和化学成分测量原子尺度附近,约0.1到0.3纳米分辨率深度和横向0.3到0.5 nm,”大卫·拉森说Cameca科学营销总监。
在APT,准备一个样品的形式大幅针状标本。顶端有偏见在一个较高的直流电压在低温试样阶段。“小费的很小的半径和电压产生一个非常高的静电场顶端表面,原子在阈值去除由所谓的蒸发,”拉尔森说。“当受激光或标本,对一些材料,电压脉冲,一个或多个原子从表面蒸发的高电场和投射到一个位敏探测器,高达80%的原子被发现和3 d重建事实上空间分辨率。”
恰当的不是新的和被使用多年。恰当的下一步是推动自动化和operator-independent数据输出。
与此同时,西姆斯用于掺杂物和其他应用程序。“当一个固体样品由几个keV能量的主要离子气急败坏,一小部分电离粒子排放目标,”拉尔森说。”西姆斯由分析这些二次离子质谱仪。二次离子发射离子轰击固体表面之下的供应信息元素、同位素和分子组成的原子层。二次离子收益率将根据化学环境差异很大,溅射条件(离子、能源、角)。这可以添加复杂性定量方面的技术。西姆斯仍然是公认为最敏感的元素和同位素分析技术。”
西姆斯正试图走出实验室。Cameca最近开发了一个模拟人生的平台,提供流程监控线,如果没有直接串联,在自动模式下。
更多的测量
的确,在实验室自动化是一个很大的转变。一般来说,在过去,实验室工具手册。今天,一些但不是全部实验室正在自动化工具,以帮助加快这一进程。
透射电子显微镜(TEM)是一个工具,在实验室里被自动化。TEM用于空间和应变计量。应变包括通道材料芯片。
在操作中,TEM生成电子和通过一个示例发送它们。电子与样品相互作用,在纳米尺度上提供的信息结构。然而,TEM也是一个破坏性的技术。创建一个示例通过减少设备的一部分。芯片制造商不愿意削减生产设备。这就是为什么该显微镜在实验室里被发现,但是他们也用于工厂来生成参考数据。
在实验室里,设备制造商有时结合的TEM技术称为电子能量损失谱(鳗鱼)。在鳗鱼,系统减少了入射电子通过样本,根据各地实验室。
这反过来又提供了一个三维断层图像。“它为我们提供了元素组成和维度,”英特尔的库恩说。“它缺乏的是成键。下一步将是鳗鱼,看看附近的边缘细边缘附近的特性和结构,然后隔离成键。这个活动正在进行中。”
除了自动化、其他fab-like过程是在实验室里移动。例如,在工厂,芯片制造商使用计量工具和基于模型的方法。为此,工具不能测量实际的设备。相反,他们衡量测试模拟装置的结构。
在实验室里,英特尔正在实施这fab-like的方法。“有自动化的努力和整片能力在实验室正在开发工具,以及on-die等新兴的使用这些技术的结构,”库恩说。
进行应变测量,设备制造商可能会使用测试结构。为此,实验室可以使用高分辨率x射线衍射(HRXRD)和拉曼光谱。HRXRD描述单晶薄膜材料。拉曼光谱识别化学结构和化合物。TEM也参与了袭击。
“拉曼是一个光学方法。我们可以重新关联,我们看到在TEM。TEM提供当地的XRD,”库恩说。”拉曼提供了一个更全面的观察统计数组的合奏这些纳米级设备和它们是如何表现的。这允许过程目标”。
与此同时,如果这还不够,机器学习机器学习也搬到实验室。使用先进的算法在系统识别数据中的模式以及学习和预测信息。
芯片制造商是结合各种工具和机器学习来发现和芯片缺陷进行分类。“机器学习可以自动选择模型的参数,使其更快的人类去探索不同的模型形式,“说阿基》的首席执行官d2。“晶圆厂和面具商店也使用经典的机器学习在所有可用的操作数据的大数据分析寻找方法来提高产量和防止停机时间。”
所以实验室如何可以变得更加与工厂吗?这就是混合计量符合。在混合计量,你把测量数据从几个计量工具和组合它们。
“在混合计量,可以采取任何工具。它可以在线,near-fab或在实验室里,你把他们的输出,通常使用机器学习,将它变成在线计量。这使您能够做的是,在线计量工具扩展其功能,”英特尔的库恩说。
在工厂
最后,一旦设备特点和合格的,他们从实验室搬到工厂。晶圆厂自动化设备,在洁净室工艺晶片使用各种设备。
这是一个复杂的过程。使一个先进的逻辑设备,晶片经历了从600到1000步,或更多,在工厂。
这不是唯一的挑战。逻辑和内存设备更为复杂。设备必须处理更小、更精确的特征在每个节点。和表面缺陷可能在流。
所以在流,晶片经历了几个工厂检验和计量的步骤。以下一代nanosheet晶体管为例。“Nanosheets礼物大检查和计量的挑战,”马克Shirey说,营销副总裁和应用程序心理契约在最近的一个座谈会上超大规模集成技术和电路。“这些3 d结构引入新的埋藏缺陷和噪声源。它看起来像一个组合光学和电子束需要检查这些。在计量,有很多当地的变化需要测量与许多新测量。”
光学和电子束工具晶片检查在芯片系统,发现微小的缺陷。对于计量,芯片制造商将使用十多个系统的最新设备的工厂。
对于CD测试,芯片制造商使用CD-SEMs,强迫症,显微镜和其他工具。nanosheets,芯片制造商也将使用不同的x射线计量工具。
例如,芯片制造商使用x射线光电子能谱(XPS)在实验室和工厂。“XPS surface-sensitive定量光谱技术测量薄膜的元素成分来确定材料的复合设备,“国王的故事说,战略营销高级总监新星。
结论
显然,在实验室里描述结构是一个挑战性的过程。它需要一系列复杂的测量。
这只是成功的一半。现在,实验室必须学习如何加快这一进程。这将需要更多的时间和金钱,如果不是一个新的心态。
不过,这是成为一个需求。否则,芯片制造商在竞争格局可能会落后。
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