半導(dǎo)體材料，出問題了

隨著封裝越來越復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)室性能與工廠實(shí)際生產(chǎn)之間的差距越來越大。

人們普遍認(rèn)為先進(jìn)材料在實(shí)驗(yàn)室中的表現(xiàn)與在生產(chǎn)中的表現(xiàn)相同，但這種假設(shè)現(xiàn)在正面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

通常情況下，實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)結(jié)果會(huì)成為產(chǎn)品規(guī)格，進(jìn)而成為鑒定基準(zhǔn)。而鑒定基準(zhǔn)又會(huì)成為評(píng)判現(xiàn)場(chǎng)性能的標(biāo)準(zhǔn)。在行業(yè)發(fā)展的大部分歷史時(shí)期，這套推論體系都相當(dāng)有效。當(dāng)時(shí)材料種類較少，疊層結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，層間相互作用也足夠可預(yù)測(cè)，因此規(guī)格表中的數(shù)據(jù)能夠合理地反映實(shí)際生產(chǎn)情況。

但隨著異構(gòu)集成從工程上的新奇想法發(fā)展成為高性能計(jì)算的主流架構(gòu)，單個(gè)封裝中的材料數(shù)量急劇增加。它們之間的相互作用更加復(fù)雜，影響也更大，而且這些封裝的運(yùn)行環(huán)境比當(dāng)初設(shè)計(jì)用于驗(yàn)證其性能的測(cè)試條件更為嚴(yán)苛。

“現(xiàn)在的情況和過去不一樣了，以前只要有了單個(gè)芯片，了解了它的工藝流程，就可以直接投入生產(chǎn)，” Amkor芯片和FCBGA集成副總裁Mike Kelly說道。“現(xiàn)在大多數(shù)封裝在機(jī)械結(jié)構(gòu)上都相當(dāng)復(fù)雜，電氣方面更是如此。要開發(fā)出一個(gè)完善可靠的解決方案，需要大量的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和開發(fā)工作。這一點(diǎn)的重要性怎么強(qiáng)調(diào)都不為過。”

一種材料在孤立環(huán)境或受控實(shí)驗(yàn)室條件下的表現(xiàn)，越來越難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)其在與其他不同材料共存、經(jīng)歷多階段熱歷史以及需要在數(shù)百萬小時(shí)運(yùn)行中保持可靠性能時(shí)的性能。如今，先進(jìn)人工智能硬件所需的封裝在機(jī)械和電氣方面都比前幾代產(chǎn)品更加復(fù)雜，曾經(jīng)使設(shè)計(jì)決策變得簡(jiǎn)單的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)如今已不再適用。簡(jiǎn)而言之，實(shí)驗(yàn)室與工廠之間的差距并非新鮮事，但正在日益擴(kuò)大。

復(fù)雜性問題

材料在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)不良性能的最直接解釋，也是最令人難以接受的解釋。如今構(gòu)建的系統(tǒng)過于復(fù)雜，任何人都無法事先進(jìn)行全面建模，而導(dǎo)致問題的相互作用往往是任何一個(gè)學(xué)科都未曾想到要檢查的。

“當(dāng)你把各種不同的材料、各種不同的硅片集成在一起時(shí)，所有這些都會(huì)帶來固有的變異性，”Critical Manufacturing 的項(xiàng)目經(jīng)理 Tiago Tavares 說。“指望我們能在設(shè)計(jì)階段就預(yù)測(cè)并控制所有這些變異性是不現(xiàn)實(shí)的。你需要模擬幾十年才能涵蓋所有情況。這種方法已經(jīng)行不通了。”

半導(dǎo)體制造一直以來都涉及對(duì)變異性的管理，但如今的變化在于，單個(gè)封裝內(nèi)相互作用的因素?cái)?shù)量激增，且這些相互作用的耦合程度也顯著提高。傳統(tǒng)的單芯片采用單一材料組合、單一工藝流程，以及一套經(jīng)過數(shù)十年生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)積累而具有相當(dāng)可預(yù)測(cè)性的相互作用。而現(xiàn)代多芯片封裝，例如堆疊式存儲(chǔ)器、異構(gòu)芯片組和有機(jī)中介層，則隨著堆疊中每引入一種新材料，潛在的相互作用就會(huì)呈爆炸式增長。

“你們?cè)趭A層材料里越來越多地使用一些比較特殊的材料，”塔瓦雷斯說。“這就好比做三明治，你根本無法預(yù)知火腿和奶酪的成分會(huì)有什么變化。所以，流程執(zhí)行和流程設(shè)計(jì)仍然至關(guān)重要，但它們已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠了。你們需要持續(xù)不斷地監(jiān)控生產(chǎn)過程。”

由于封裝組裝方式的根本性結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，監(jiān)控難度進(jìn)一步增加。在整體式工藝流程中，工藝工程師可以將每個(gè)步驟視為一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的優(yōu)化問題：調(diào)整蝕刻配方，測(cè)量結(jié)果，然后再次調(diào)整。由于一個(gè)步驟的改變對(duì)后續(xù)步驟的影響有限，因此自由度是可控的。但在異構(gòu)封裝中，這種獨(dú)立性不復(fù)存在。每個(gè)工藝步驟都會(huì)繼承前一步驟的機(jī)械、熱學(xué)和化學(xué)歷史，每一次調(diào)整都會(huì)產(chǎn)生影響，而這些影響往往要到很久以后才能顯現(xiàn)。

塔瓦雷斯補(bǔ)充道：“你不能再像分析孤島一樣分析一個(gè)過程了。其中的相互作用越來越明顯，也越來越復(fù)雜。因此，你不能僅僅因?yàn)楦淖兞薃步驟就貿(mào)然做出改變，而不去考慮B、C、D步驟之后會(huì)發(fā)生什么。”

模擬的不足之處

如果復(fù)雜性問題僅僅是運(yùn)行更全面的模擬，那么原則上是可以解決的，即使計(jì)算成本很高。模擬工具的構(gòu)建基于對(duì)哪些效應(yīng)被視為一級(jí)、二級(jí)或可忽略效應(yīng)的明確選擇。在大多數(shù)情況下，這些選擇是合理的。但是，先進(jìn)封裝中遇到的情況并非總是典型的，在簡(jiǎn)單封裝中出現(xiàn)的二級(jí)效應(yīng)，在更復(fù)雜的封裝中可能成為主要的失效機(jī)制。

Synopsys產(chǎn)品營銷總監(jiān)Marc Swinnen表示：“機(jī)械應(yīng)力不僅會(huì)影響可靠性，還會(huì)改變受力器件和導(dǎo)線的電氣參數(shù)。但機(jī)械應(yīng)力和電氣應(yīng)力很少被同時(shí)考慮。任何仿真器都基于對(duì)哪些效應(yīng)需要納入考量的基本選擇。由此產(chǎn)生的問題是，在某些情況下，一個(gè)微小的影響實(shí)際上會(huì)被放大很多。”

因此，封裝器件可能通過了電氣和機(jī)械仿真，但在生產(chǎn)中仍然會(huì)失敗，因?yàn)檫@兩種效應(yīng)之間的相互作用從未被建模。這是由于仿真工具的歷史發(fā)展方式造成的，這些工具由一些團(tuán)隊(duì)開發(fā)，而這些團(tuán)隊(duì)在相鄰領(lǐng)域的專業(yè)知識(shí)有限，因此只針對(duì)特定的物理領(lǐng)域進(jìn)行優(yōu)化。芯片設(shè)計(jì)師沒有接受過電磁仿真方面的培訓(xùn)，封裝工程師也沒有接受過靜態(tài)時(shí)序分析方面的培訓(xùn)。這些領(lǐng)域之間的界限，恰恰成了模型與現(xiàn)實(shí)最容易出現(xiàn)偏差的地方。

“芯片、封裝和電路板的設(shè)計(jì)通常是分開進(jìn)行的，但它們之間卻有著密切的聯(lián)系，”斯溫寧說道。“這種聯(lián)系往往被大量的安全裕度所掩蓋，這些安全裕度是為了應(yīng)對(duì)連接芯片、封裝和電路板可能帶來的未知影響。但安全裕度并非沒有代價(jià)。它們會(huì)降低性能并增加成本。”

即使物理模型設(shè)定正確，仿真也難以有效處理變異性問題。例如，在標(biāo)稱溫度下性能符合規(guī)格的設(shè)計(jì)，在受到相鄰部件的熱梯度影響時(shí)，其性能可能會(huì)發(fā)生改變。此外，一種材料在制造裝配過程中可能承受遠(yuǎn)超實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中的應(yīng)力，即使其機(jī)械應(yīng)力極限被設(shè)定為特定值。這些變量在生產(chǎn)過程中可能同時(shí)出現(xiàn)，即使使用先進(jìn)的仿真工具，也很難對(duì)其進(jìn)行全面驗(yàn)證。

材料數(shù)據(jù)問題

仿真挑戰(zhàn)背后隱藏著一個(gè)更為根本的問題。用作仿真輸入的材料屬性值通常是錯(cuò)誤的，或者至少是不完整的，而如果沒有制造商不愿分享的數(shù)據(jù)，這些問題很難得到糾正。

知識(shí)產(chǎn)權(quán)問題是彌合仿真與生產(chǎn)實(shí)際情況之間差距的核心障礙之一。仿真工具從數(shù)據(jù)庫中獲取材料屬性，這些數(shù)據(jù)庫匯總了已發(fā)表的測(cè)量數(shù)據(jù)、科學(xué)文獻(xiàn)或代工廠提供的規(guī)格說明。對(duì)于硅和銅等特性明確的材料，這些數(shù)據(jù)庫相當(dāng)準(zhǔn)確。但對(duì)于新型材料，例如新型玻璃成分、特種介電材料和專有聚合物粘合劑，數(shù)據(jù)庫條目稀少，有時(shí)甚至過時(shí)，偶爾還會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。

Synopsys產(chǎn)品管理負(fù)責(zé)人郎林表示：“仿真工具會(huì)從互聯(lián)網(wǎng)或科學(xué)測(cè)量數(shù)據(jù)中獲取一些通用屬性，或者使用代工廠提供的數(shù)據(jù)。制造商必須向我們的仿真工具提供或披露其材料的特定屬性，這樣我們才能說仿真結(jié)果具有良好的相關(guān)性。否則，就不存在相關(guān)性。”

問題在于，最精確的材料屬性數(shù)據(jù)往往也是最具商業(yè)敏感性的。一家玻璃基板制造商花費(fèi)數(shù)年時(shí)間研發(fā)出特定的材料成分和拋光工藝，卻沒有動(dòng)力將該材料的精確機(jī)械和熱學(xué)性能數(shù)據(jù)分享給整個(gè)行業(yè)。這些數(shù)據(jù)所蘊(yùn)含的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)正是其研發(fā)投入的根本所在。結(jié)果就是結(jié)構(gòu)性錯(cuò)配。最需要精確材料數(shù)據(jù)來構(gòu)建可靠模擬的工程師們，卻只能使用精度最低的版本，而掌握精確數(shù)據(jù)的機(jī)構(gòu)也有充分的理由不予公開。

對(duì)于處于包裝工藝前沿的新型材料而言，這個(gè)問題更為根本。對(duì)于成熟材料，其材料性能隨溫度變化的非線性行為已得到充分理解，但對(duì)于新型材料，這種行為往往難以捉摸。

林說：“你必須對(duì)材料的力學(xué)性能隨溫度變化的非線性行為進(jìn)行建模。我們可能很了解純銅。但對(duì)于具有某種改性材料特性的玻璃來說，其溫度依賴性會(huì)是什么樣的呢？它可能以我們未知的方式呈現(xiàn)非線性特征。”

當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室遺漏的問題時(shí)，這些建模缺陷的后果就會(huì)在生產(chǎn)中顯現(xiàn)，有時(shí)甚至?xí)M(jìn)一步蔓延到下游，導(dǎo)致難以追溯根源的現(xiàn)場(chǎng)故障。故障到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)的方式存在著一定的規(guī)律。主要原因很少是材料本身未能達(dá)到標(biāo)稱規(guī)格，而是制造過程中引入的潛在缺陷，而這些缺陷并非認(rèn)證流程所能檢測(cè)的。

“許多現(xiàn)場(chǎng)問題都源于制造過程中引入的潛在缺陷，”安靠公司負(fù)責(zé)引線鍵合和BGA產(chǎn)品的副總裁Prasad Dhond表示。“污染、工藝偏差和設(shè)備故障都是潛在缺陷的來源，這些缺陷在現(xiàn)場(chǎng)可能會(huì)加劇。除了產(chǎn)品認(rèn)證之外，生產(chǎn)控制以及工廠和裝配線的運(yùn)營方式也至關(guān)重要。”

難點(diǎn)在于，潛在缺陷并非總是一開始就以缺陷的形式顯現(xiàn)出來。最終會(huì)導(dǎo)致良率損失的信號(hào)可能在工藝流程早期以模糊不清的形式出現(xiàn)：例如輕微的顏色變化、光學(xué)異常，或者看起來更像是干擾而非失效機(jī)制的現(xiàn)象。早期可見的現(xiàn)象與后期會(huì)產(chǎn)生影響的因素之間的聯(lián)系，只有在積累了足夠的數(shù)據(jù)后才能明確。

這是復(fù)雜制造流程的一個(gè)結(jié)構(gòu)性特征。缺陷顯現(xiàn)、可測(cè)量以及導(dǎo)致故障的時(shí)間點(diǎn)各不相同，通常相隔數(shù)周的處理時(shí)間和數(shù)十個(gè)中間步驟。鑒定測(cè)試位于該流程的末尾，僅詢問器件是否合格。它并不探究故障的根源，而這才是真正能夠彌合實(shí)驗(yàn)室模型與工廠實(shí)際生產(chǎn)之間差距的關(guān)鍵所在。

“你會(huì)發(fā)現(xiàn)缺陷，有時(shí)很難發(fā)現(xiàn)，分析結(jié)果可能只顯示為變色。如果只是外觀上的瑕疵，其實(shí)沒什么大礙，” Microtronic的應(yīng)用總監(jiān)Errol Akomer說道。“但當(dāng)這批產(chǎn)品進(jìn)入檢測(cè)階段時(shí)，就檢測(cè)不合格了。這樣你才能知道哪些缺陷會(huì)造成損失，哪些不會(huì)，哪些可以忽略，哪些需要仔細(xì)檢查，因?yàn)榇_實(shí)存在問題。”

生產(chǎn)中故障分析的經(jīng)濟(jì)性問題使這一挑戰(zhàn)更加嚴(yán)峻。當(dāng)芯片在現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生故障時(shí)，人們的第一反應(yīng)往往是更換芯片并繼續(xù)生產(chǎn)，而不是將其回收進(jìn)行分析。原本可以幫助工程師了解故障原因并構(gòu)建更完善模型的數(shù)據(jù)，卻隨著故障部件一起被丟棄了。

Amkor公司的Kelly表示： “只有當(dāng)有故障發(fā)生時(shí)，收集數(shù)據(jù)來確定故障原因才有意義。 故障越少，數(shù)據(jù)越少，模型就越不準(zhǔn)確。這是一個(gè)悖論。在某個(gè)階段，你會(huì)停止建模，開始構(gòu)建，然后在早期生產(chǎn)環(huán)境中不斷改進(jìn)，最終達(dá)到你真正想要的目標(biāo)。但仍然存在差距。”

案例研究揭示差距：在生產(chǎn)線中間金屬化過程中引入鉬來替代鎢，這說明了從實(shí)驗(yàn)室到制造環(huán)節(jié)的差距，而這與封裝無關(guān)，卻與表征材料和集成材料之間的根本區(qū)別息息相關(guān)。

在邏輯、DRAM 和 NAND 等器件目前追求的小尺寸特征范圍內(nèi)，鉬相比鎢具有顯著的電阻率優(yōu)勢(shì)。更短的平均自由程意味著鉬能夠在更小的尺寸下充分發(fā)揮其導(dǎo)電優(yōu)勢(shì)，而鎢則越來越難以做到這一點(diǎn)。此外，由于鉬直接粘附在氧化層上，不會(huì)滲透到介電層，因此無需單獨(dú)的阻擋層和襯墊層，從而使更多可用空間能夠填充功能金屬，而不是高電阻率的支撐材料。在實(shí)驗(yàn)室中，根據(jù)單元工藝驗(yàn)證的關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，鉬的性能表現(xiàn)良好。

但將新材料投入生產(chǎn)則是一個(gè)不同的問題。開發(fā)單元工藝——包括沉積工具、薄膜性能、均勻性和顆粒行為——需要材料工程師和工藝工程師的通力合作。單元工藝開發(fā)無法在獲得生產(chǎn)數(shù)據(jù)之前解決的是，新材料在特定客戶的工藝流程、周圍材料和集成方案中的具體表現(xiàn)。

“當(dāng)我們進(jìn)入測(cè)試階段，客戶開始嘗試采用這款薄膜時(shí)，真正的挑戰(zhàn)在于如何將薄膜集成到他們的工藝流程中，” Lam Research公司副總裁兼總經(jīng)理 Kaihan Ashtiani 表示。“薄膜的各項(xiàng)要求，例如運(yùn)行速度、觸點(diǎn)填充效果、電阻率是否符合規(guī)格、均勻性以及顆粒行為——這些都是我們?cè)谠O(shè)備開發(fā)方面需要關(guān)注的。但如何將薄膜集成到客戶現(xiàn)有的工藝流程中，才是真正需要學(xué)習(xí)的地方。DRAM、NAND 和邏輯芯片的要求各不相同，這些都是我們?cè)谶M(jìn)入測(cè)試階段乃至最終量產(chǎn)階段時(shí)面臨的挑戰(zhàn)。”

關(guān)鍵不在于鉬本身存在任何根本性缺陷，而在于任何新材料在生產(chǎn)中的表現(xiàn)都取決于其與特定工藝環(huán)境的相互作用，而這種環(huán)境無法在材料表征的開發(fā)環(huán)境中完全復(fù)制。每個(gè)客戶的集成都有其自身的熱預(yù)算、相鄰材料和工藝順序限制。在單元工藝開發(fā)中看似微不足道的薄膜特性，一旦與下游特定的蝕刻化學(xué)反應(yīng)發(fā)生相互作用，或者沉積在經(jīng)過一系列實(shí)驗(yàn)室從未模擬過的預(yù)處理步驟的表面上時(shí)表現(xiàn)出與預(yù)期不同的行為，就可能成為首要考慮因素。Lam公司多年來在鉬的單元工藝開發(fā)上投入巨資，最終獲得了特性明確的薄膜。但它無法獲得預(yù)先表征的集成方案，因?yàn)槊總€(gè)集成方案都因客戶和器件類型而異。實(shí)驗(yàn)室結(jié)果與生產(chǎn)環(huán)境的最終交匯點(diǎn)，正是差距所在。

彌合差距

面對(duì)這些挑戰(zhàn)，業(yè)界并未袖手旁觀。目前，大量的工程研發(fā)工作正致力于通過機(jī)器學(xué)習(xí)來構(gòu)建虛擬世界和物理世界之間更緊密的聯(lián)系，從而探索純粹基于物理建模無法觸及的設(shè)計(jì)空間，并將制造車間視為模型校準(zhǔn)的持續(xù)源泉，而非下游終點(diǎn)。

然而，不受約束的機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用于制造數(shù)據(jù)時(shí)，它本身并不了解它所處的物理空間，這意味著它可以在其訓(xùn)練數(shù)據(jù)中進(jìn)行激進(jìn)的優(yōu)化，但產(chǎn)生的結(jié)果卻會(huì)在生產(chǎn)中失敗，而失敗的原因正是該模型從未被訓(xùn)練去考慮的。

“你可以用現(xiàn)有的數(shù)據(jù)集進(jìn)行訓(xùn)練，但機(jī)器學(xué)習(xí)實(shí)際上并不了解它所處的空間，也不知道如何在該空間內(nèi)進(jìn)行優(yōu)化，”Lam Research旗下Semiverse Solutions的總經(jīng)理Joseph Ervin說道。“使用虛擬硅可以為機(jī)器學(xué)習(xí)空間引入約束和物理規(guī)律，從而指導(dǎo)工藝步驟和參數(shù)在哪些方面能夠真正取得成果。”

該方法包括構(gòu)建正在建造的設(shè)備的三維虛擬表示，將其與實(shí)際生產(chǎn)過程中的在線計(jì)量數(shù)據(jù)對(duì)齊，并使用對(duì)齊的虛擬模型來指導(dǎo)機(jī)器學(xué)習(xí)優(yōu)化，同時(shí)針對(duì)多種良率失效模式進(jìn)行優(yōu)化。

數(shù)據(jù)問題依然難以解決。彌合實(shí)驗(yàn)室與工廠生產(chǎn)之間差距所需的數(shù)據(jù)至少在理論上是存在的。真正的挑戰(zhàn)在于，收集、解讀這些數(shù)據(jù)并將其與正確的工程決策聯(lián)系起來，需要一定程度的機(jī)構(gòu)知識(shí)和協(xié)作意愿，而這方面目前仍在發(fā)展之中。

“人們?nèi)栽诹私飧鞣N影響和組合，”關(guān)鍵制造公司的塔瓦雷斯說。“這需要一段時(shí)間才能被人們接受。數(shù)據(jù)是存在的，但首先你需要知道自己在尋找什么。數(shù)據(jù)并不等同于信息。將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為信息的能力仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。”

用于彌合實(shí)驗(yàn)室到工廠差距的工具正在不斷改進(jìn)。我們擁有更完善的仿真框架、受物理約束的機(jī)器學(xué)習(xí)、更豐富的在線計(jì)量技術(shù)以及更先進(jìn)的數(shù)字孿生模型。然而，這些新環(huán)境下需要發(fā)揮作用的材料確實(shí)是全新的，它們之間的相互作用也僅被部分理解，而用于可靠表征其在生產(chǎn)中性能的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)仍在積累之中。這種差距的存在是因?yàn)椴牧蠎?yīng)用的速度超過了我們充分理解其后果的速度。

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