Гикпорн 5 или для чего вскрывают микросхемы

    Угадал автора по названию? А вот и нет, в отличии от BarsMonster мы будем вскрывать микросхему не из спортивного интереса и даже не для того, чтобы посмотреть, как она работает. Мы будем искать почему она не работает. Иногда такое случается, особенно если технология изготовления кристаллов находится в стадии разработки и запускаемые проекты могут быть только экспериментальными. И подобная неприятность случилась у нас. В нашем случае полученные образцы оказались неработоспособными (выход годных близок к нулю). Исследование функционирования и электрических параметров указывали на технологические проблемы изготовления кристаллов, которые нам и предстоит обнаружить.

    Микросхема изготовлена по технологии 180 нм. Со специальными особенностями, позволяющими на одном кристалле размещать цифровую логику с высокой плотностью и типовым питанием 1,8В и аналоговую составляющую с рабочими напряжениями до 200В. А в купе с рабочими температурами до 150-170С делает эту технологию очень востребованной в промышленной и автомобильной электронике.

    Для начала мы провели послойное травление кристаллов с остановкой и полным фотографированием на каждом технологическом уровне. Уровень шестого металла MET6 (некоторые элементы фотографий скрыты).



    Уровень пятого металла MET5:



    Уровень перемычек между пятым и четвертым металлами VIA4:



    Ну и так далее, всего мы получили около 5 ГБайт фотографий.

    К сожалению даже очень аккуратное послойное травление вызывает различные разрушения структур кристалла. И определить, что это технологический брак производства или результат препарирования очень сложно. Обычно критерием является повторяемость, если эффекты схожи на нескольких образцах, то это технологические проблемы, если же эффекты уникальны для каждого исследуемого образца, то это результат препарирования. Например, были обнаружены дефекты в районе колец питания. На уровне шестого металла они не видны, а вот начиная с пятого металла стали проявляться:



    На уровне перемычек между пятым и четвертым металлами стали еще заметней:



    На уровне третьего металла уже видны отчетливо:



    Но дефекты уникальны для каждого образца и пока отнесены к проблемам процесса травления

    На уровне перемычек между поликремнием и первым металлом были обнаружены отсутствующие или не полностью сформировавшиеся переходные отверстия, к сожалению разрешения оптического микроскопа уже на пределе и видны они как темные пятна:



    Данные дефекты с большой корреляций повторялись на нескольких образцах:



    На кристалле было очень много таких «вылетевших» переходных отверстий, в основном они были в области цифрового ядра и блоков памяти. На следующем рисунке они помечены красными точками, красными прямоугольниками отмечены области поврежденные в ходе травления:



    Как уже было отмечено ранее, оптическая микроскопия не позволяет визуально оценить состояние, и нам пришлось воспользоваться электронным микроскопом, а где электронный микроскоп, там уже не далеко и до установки FIB (Focused Ions Beam). FIB позволяет направленным пучком ионов с нанометровой точностью резать элементы кристалла или наоборот наносить новые слои на него, например соединять соседние проводники.

    Мы провели рез кристалла в области, где интенсивность «вылетевших» VIA была максимальна:



    И кажется нашли проблему, действительно на срезе не было соответствующей VIA (в данном тех процессе они обозначены как CONT). Но технологи и топологи схемы высказали сомнение, что мы попали в требуемое место. Так замечания технологов сводились к тому, что там должно было быть хоть что то, а там чистый изолятор. А топологи указали, что хотя срез очень похож на топологию, но отличается от него. В частности, на рисунке топологии переходное VIA1 и CONT не соосны, а на срезе они расположены строго друг над другом, и это нельзя списать на технологический разброс.

    При более детальном анализе было обнаружено, что действительно в этом же районе, но с отступом примерно на 2 мкм расположена область полностью подходящая для данного среза и в ней действительно нет этого перехода между первым металлом и поликремнием. Мы просто попали не туда.

    При повторном резе мы смогли попасть в требуемую область, и претензий к переходным окнам больше не осталось:



    Как можно заметить, теперь вся фотография среза полностью повторяет топологию и VIA между различными слоями разнесены. Все переходные отверстия сформированы полностью. А причина неработоспособности кристаллов так и не найдена.

    При просмотре через электронный микроскоп уровня поликремния (обозначен POLY) было замечено, что в области разделения P-канальных и N-канальных транзисторов с помощью глубокого диэлектрика (обозначен на рисунках DTI), поликремний имеет некоторое утолщение.



    На фотографию для наглядности нанесен рисунок топологии. Но при этом каких либо разрывов или «закороток» между различными шинами поликремния не видно. Но в любом случае мы решили посмотреть что же там творится с поликремнием.

    Но для начала поймем, что такое поликремний (POLY) и для чего он нужен. Поликремниевые соединения это трассировочный ресурс самого нижнего уровня кристалла. Основные соединения в кристалле обеспечиваются через металлы верхних слоев. А вот соседние транзисторы одного вентиля могут быть соеденены с помощью поликремния. Для того что бы поликремний стал электропроводным его легируют (добавлением примесей фтора, бора или мышьяка), иногда весь поликремний в кристалле легированный, иногда нет. В случае когда поликремний не легированный, его проводимость достигается за счет нанесения поверх него слоя силицида (это уже соединение кремния с металлами).Так вот в нашем случае над областью глубокого диэлектрика (DTI) проводимость поликремния достигается путем нанесения на него слоя силицида (SiCo2).

    Для этого мы сделали еще один рез, позволяющий посмотреть структуру поликремния над глубоким и неглубоким диэлектриками.



    Уже на этой фотографии видно, что над поликремнием, который расположен правее DTI видна белая «шапочка» силицида, а над поликремнием непосредственно над DTI ее нет.

    Приближаем:



    Приближаем:



    И теперь по отдельности, поликремний правее DTI с силицидом:



    И поликремний над DTI без силицида:



    Вот теперь мы нашли проблему, по крайней мере она вписывается в модель сбоя кристалла. Из-за отсутствия силицида над поликремнием происходит увеличение сопротивления связей между соседними транзисторами до сотен кОм или даже МОм они начинают работать очень медленно и непредсказуемо. И хотя проблему мы обнаружили, необходимо найти решение этой проблемы. Для этого проведен анализ другой части схемы, где ширина поликремния над DTI больше чем 180 нм (минимально разрешенной и для которой мы нашли проблему). Такая область найдена, ширина поликремния в этом месте составляет 500 нм. Так же заодно определим как ведут себя перемычки CONT к поликремнию, если они расположены над DTI.

    При резе FIB специально получили два перпендикулярных среза, позволяющих получить полную картину состояния силицида над поликремнием над DTI.



    На фото видно, что CONT подключается к POLY без проблем. А силицид сформировался над поликремнием в полном объеме. На горизонтальном порезе FIB Line 1 силицид не окрасился в белый цвет из-за того, что его продольная глубина (для потока электронов микроскопа) ~250 нм и имеет слабое отражение, в отличии от вертикального реза FIB Line2, там глубина силицида до 2000 нм и он окрасился в белый цвет. Но на горизонтальном срезе все равно отчетливо виден слой силицида. Мы как разработчики кристалла не беремся судить почему силицид не образовывается над поликремнием над DTI, если его ширина 180 нм. Фабрика изготовитель кристаллов также пришла к аналогичному заключению, и в качестве решения проблемы запретила водить над DTI поликремниевые проводники с шириной менее 1 мкм.
    Поделиться публикацией
    Комментарии 47
      +19
      Круто. А как вообще режется кристалл — механика или лазер?

      PS Особенно умиляет метка «Электроника для начинающих» ;-)
        +13
        Потоком ионов галлия выбивают атомы образца. Что то на подобии пескоструйки, только в наноразмерах…
          +4
          Так сказать риал-тайм видео:
            +1
            На рисунках можно видеть слова «Линия FIB» — это линия среза, FIB — Focused Ion Beam. Пучками ионов галлия можно как резать материал, так и делать изображения. На картинках с электронного микроскопа, там где в левом нижнем углу нарисована кучка шариков — изображение получено в режиме FIB. Там, где электроны по орбите летают — это SEM, Scanning Electron Microscopy. В режиме FIB лучше видна разница между материалами, тогда как SEM показывает по большей части только топографию.
          +64
          Ничего не понял, но спасибо :)
            +1
            Спасибо за интересную статью! Полезно для общего кругозора.

            С данной тематикой знаком очень отдаленно, но знаю что все производители микросхем постоянно вскрывают микросхемы конкурентов.
              +12
              Так отож:
              image

              «СВАКС… Когда вы забатите довольно воровать настоящий лучший»

              DEC передает привет советским реверс-инженерам, хотя они на самом деле собирались сказать:

              «VAX — when you care enough to steal the very best »

              VAX — вы постараетесь украсть самое лучшее, если вам не все равно.

              micro.magnet.fsu.edu/creatures/pages/russians.html
                +2
                Хотя нет, этот перевод «не отражает»
                Более точный вариант:
                VAX — когда вы очень заботитесь о том, чтобы украсть самое лучшее
                  +1
                  Мне кажется это отсылка к слогану компании Hallmark (производитель открыток): When you care enough to send the very best.
                  Когда вас достаточно заботит то, чтобы отправить лучшее.
                    +3
                    Тогда это очень трогательно — американские инженеры шлют советским коллегам открытку на кристалле кремния сквозь железный занавес.
                      +2
                      Ага, если бы ещё советские инженеры могли бы знать о слогане производителя открыток в то время…
                  +1
                  Забавно :) На печатных платах встречал «послания потомкам», но чтобы еще и в кристалле увековечились!
                    +4
                    Напоминает инструкцию к мелу Машенька: «Когда употребите этот мел, не можете вредите человеку и скотам»
                  0
                  Круто видеть то, что в обычном мире глазу недостижимо. Да ещё и как-то этим манипулировать. Будущее прям, ага.

                  Я только не понял, «отсутствующие via» по итогу — они таки отсутствующие, или чётко их определить не позволило разрешение оптического микроскопа, поэтому они на фото только «предположительно отсутствующие»?
                    0
                    Они есть, А те что исчезли — мы списали на проблемы при травлении.
                      0
                      Если это проблемы при травлении — получается это тоже проблемы изготовления.

                      Как идентифицируются все такие моменты? Всё вручную по фото?
                        0
                        Да, вопросы по перемычкам остались, но по косвенным признакам (остатки вольфрама в них, «разъеденные» края когда смотрели в эл. микроскоп и ряд других) все же списали на травление. Скорее всего в них есть «слабинка» — но не она причина неработоспособности чипа.
                    +3
                    Мммм, я выиграл конкурс «угадай микросхему по разрезам и аббревиатуре DTI». Расскажете, когда ожидается выход чипов с исправленными ошибками?
                      0
                      Ждем в феврале-марте 2015
                        0
                        Просветите пожалуйста, о какого назначения микросхеме идет речь? Что-то цифро-аналоговое, с высоким напряжением, но где такое применяется? Радио что ли?
                          0
                          В данном случае это обычный микроконтроллер (ядро, АЦП, итп), на котором мы собираем грабли нового тех процесса.
                            0
                            Спасибо. А зачем высокое напряжение? Ведь если входные сигналы имеют высокое напряжение — то их можно ослабить и уже низковольтными подать на АЦП. У вас ЦАПы с напряжением до 200В? Или это для защиты от внешних воздействий?
                              +2
                              Однокристальное решение управления LED лампой освещения, располагающееся в цоколе ламы, c управлением по PLC через проводку 220В.
                                +1
                                Ого, кажется это такая гиковская и относительно недорогая вещь, неужели рынок имеет достаточный объем чтобы окупить разработку отдельной микросхемы? Или ей все-же есть более популярное применение где-то еще?
                                  +1
                                  Представьте себе возможность в любом кафе, магазине, офисе, учреждении, гипермаркете, квартире наконец, моделировать свет и цвет в реальном времени!
                                    0
                                    Это понятно что круто, вопрос про экономическую часть этого дела. Разве что на алиэкспресе продавать их миллионами за не дорого )
                        0
                        Хорошее оборудование :) И да, DTI резко сужает круг подозреваемых))
                          +1
                          Все используемое оборудование для резки и анализа есть в Зеленограде?
                          Или пришлось что-то делать вне России?
                            0
                            Насчет Зеленограда не знаю, а в Москве точно есть такое оборудование.
                              +2
                              Да, Зеленоград и Москва.
                              +8
                              Крайне интересный и детальный пост, спасибо! :-)

                              Касательно «Мы как разработчики кристалла не беремся судить почему силицид не образовывается над поликремнием над DTI, если его ширина 180 нм. Фабрика изготовитель кристаллов также пришла к аналогичному заключению, и в качестве решения проблемы запретила водить над DTI поликремниевые проводники с шириной менее 1 мкм. »:

                              Вот на этом снимке:
                              Скрытый текст


                              Видно, что поликремний над DTI — ниже плоскости пластины, примерно ~150нм. Этого уже может быть достаточно, чтобы выйти из фокуса сканера, и реальное разрешение падает ниже 180нм, соответственно 1000нм детали даже вне фокуса пропечатаются, а вот 180нм — уже нет.
                                +1
                                Видимо, фабрика недостаточно хорошо делает планаризацию DTI, отсюда и растут ноги у проблемы.
                                  +1
                                  Как там краудфандинг такого микроскопа в гараж? :)
                                    +1
                                    Никаких шансов :-)
                                  0
                                  Все супер, только непонятно как происходит поиск проблем — автоматика какая-то или стравили слой — прошли «вручную» посмотрели, и т.д. Это сколько ж времени отнимает проверить слой, если это «вручную» делается?
                                    +5
                                    Все вручную, очень долго, очень нудно и главное дорого.
                                      +1
                                      Вот интересный вопрос, от момента как поняли что изделие не работает, до момента как нашли причину, сколько времени ушло?
                                        +5
                                        примерно 2,5 месяца.
                                    +4
                                    Автора не угадал. Очень рад очередному подтверждению, что в Зелике жизнь микроэлектроники продолжается.
                                    Не могу понять, чего в статье больше, гик-порно или патологоанатомии :)
                                    В любом случае, очень увлекательно, спасибо.
                                      0
                                      Для интереса вскрыть сможете мультиклеточные процессоры R1-1 и R1 и прокомментировать качество изготовления?
                                        0
                                        мы не специализируемся на вскрытии.
                                          0
                                          А на чём специализируетесь, если не секрет?
                                          +1
                                          BarsMonster попросите вскрыть. Это если послойное травление.
                                          А если FIB и разрезы — то это и правда долго и дорого, такое вряд ли кто-то возьмется делать ради интереса.
                                            +2
                                            Коли процессор достанете — вскрою :-)
                                              +1
                                              Пока на столе только R1-1, перед новым годом придет R1 и если руководство против не будет, отправлю.
                                              Можно наверно будет один рабочий, а один не рабочий.
                                            +2
                                            forum.pk-fpga.ru/viewforum.php?f=43 — вот тут раскапывают советскую серию микросхем 1801
                                              0
                                              Пробовали ли вы как то автоматизировать процесс? Например применить сегментацию изображений или 3Д реконструкцию по срезам?

                                              Как называется эта область которой вы занимаетесь(желательно по английски, а лучше ссылку на пару документов)? что то типа неразрушающего контроля, верификации плат\чипов?

                                              Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                                              Самое читаемое