7 奈米、5 奈米的芯片金属线径微小、金属间距极窄，修补过程中如何维持电性完整正确？
随着摩尔定律，目前市面上可见到的芯片已从 10 奈米、7 奈米不断微缩 5 奈米制程，宜特 FIB 电路修补实验室，陆续收到 5 奈米（nm）制程，必须从晶背进行电路修改样品。这是从 2018 年首度完成 7 奈米（nm）制程的样品后，再次挑战更先进制程的电路修补，并成功的完成挑战，协助客户进行芯片性能优化，加速产品上市。宜特科技将与您分享，如何借由多年的成功经验，完成 7 奈米、5 奈米等级以下的先进制程 IC 晶背电路修补技术。
速读 FIB 电路修改技术（Focus Ion Beam）
FIB（Focus Ion Beam）聚焦离子束电子显微镜，是利用镓（GA+）离子源透过电场牵引成离子束，高速碰撞样品表面产生二次离、电子收集后成像；而离子轰击过程中利用注入不同气体，对芯片上各种材料进行选择性地加速或减缓蚀刻，以及沉积导电和介电绝缘材料，达到修改电路的目的，搭配 CAD 导航系统辅助，准确的定位目标，提高电路修补精准度。
▲ 蚀刻机制（图中）、沉积机制（图右）。
一、IC 设计产业中不可或缺的战略技术 – FIB 电路修补技术（Focus Ion Beam）
先进制程的开发成本越趋昂贵、晶圆产能短缺交期更长，即使电路模拟软件（如 EDA 工具）的辅助设计不断提升，仍无法确保芯片成品能百分之百达到设计目标，一旦发现电路瑕疵只能再次进行光罩改版；然而光罩价格不斐，且重新下光罩后，等待修改过后的芯片时间通常超过一个月，因此，多数 IC 设计业者，会选择 IC 电路修补，只需几个小时内即可完成修改，确保电路设计符合预期，并降低时间及金钱的成本耗损。
二、先进制程芯片金属层间距极窄，难度大提升
本案例的芯片电路修补，目的是要将 M1 的讯号断路（图一），目标点区域为最小金属层设计尺寸（MMP），在 218nm 的距离内布局 4 根讯号线。然而无论是 7nm 或 5nm 的芯片，金属层的间距都相当窄（约小于 10nm），电路修补施工难度都相当高，令其他同业望 IC 兴叹、束手无策。
例如图一，此为较不佳的先进制程电路修补案例，目标点蚀刻区域变形（蓝色箭头）、且周围金属层扭曲受损（黄线），以及底层暴露（白色箭头），恐造成电路受损或短路等电性异常问题，大幅度降低电路修补成功率。
▲ 图一：目标点蚀刻变形（蓝色箭头），金属层扭曲且受损（黄线），多处底层暴露（白色箭头）。
为了克服此先进制程电路修补难关，宜特利用极小 40*100nm 的空间（参见图二，黄色箭头处）精确地将目标点切除，更为困难的是两侧金属层的间距极窄（约小于 10nm），在切除过程中，没有因为紧邻目标点而受到损伤破坏，维持电性完整正确，整体的困难度很高；若对比黄框标示位置，虽为同一金属层，但两侧金属间距大，施工难度相对较低。
▲ 图二：影像清晰，极窄的间隙可清楚辨识，蚀刻移除空间（黄色箭头）仅 40×100nm，且两侧金属保留完整未受损；黄框位置与相邻的金属层间隙大，若进行切割难度降低许多。
三、如何克服先进制程芯片电路修补难关 – 从晶背着手
当先进制程发展至极小奈米，包装型式多数为覆晶包装技术（FCBGA、CIS-BSI 等）或称“倒晶封装”，芯片正面将有一层电路板基板（PCB Substrate），因此 FIB 电路修补就必须从晶背来执行，当从电路源头来执行时，经常可简化施工内容，以提高成功率（图三）。
▲ 图三：路径追踪示意图，假设此先进制程为 9M+AP，从芯片正面（Front side）施工 M4，需要穿过 6 层金属层（Metal：AP~M5）难度高；若改由晶背（Back side）方向，仅需穿过 Active Area（AA）层，并简化内容在 M1 施工。
此外，从晶背施工还有几项优势，例如拥有低深宽比优势，影像撷取较佳，精准度更高，施工工时缩短（参考图四、五）。
再者，也可借由缩短工时，减少离子束（GA+）对芯片长时间的电荷累积，而造成电路受损的疑虑，降低不可控因子导致的失效问题。
▲ 图四：芯片剖面图深度比较，Back side 有低深宽比的优势。
▲ 图五：剖面示意图，先削洗 silicon substrate trench 至 N well 暴露，缩小范围针对目标点进行电路修改，且接近电路源头，可简化施工内容。
四、工欲善其事必先利其器 – 最先进的 FIB 电路修补工具
电路修补工具 – FIB 聚焦离子束设备能力，也随着制程演进不断的发展，无论在影像分辨率、效能及准确度皆大幅提升。目前 FIB 工具搭配宜特电路修补技术不仅可完成 5nm 晶背电路修补外，Q1 引进的最新设备（设备能量请点此），其影像分辨率更由 4.5nm 提升至 3.5nm，提高深层、微小线径及复杂电路修补的成功率，并且其介电材料有更高的电阻率（1E15 uΩ-cm），绝缘效果更加强化，挑战更先进制程。
宜特是台湾首家执行 FIB 电路修补的民营实验室，翻转 IC 设计业以往的验证模式，大幅缩短 IC 设计公司从概念设计到量产上市时间并节省研发经费，成立至今，已替业界完成超过 369,130 颗芯片的电路修补，27 年的 FIB 电路修补经验、搭配失效模式的大数据建立将如虎添翼，协助 IC 设计业者解决棘手的电路问题，本文与各位长久以来支持宜特的您，分享经验，若您想要更进一步了解细节，欢迎洽询 +886-3-5799909 分机 1068 邱小姐，Email: yuting_chiu@istgroup.com。
（图片来源：宜特科技）
