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Development and Evaluation of Novel Chip Modification- and Analysis-Techniques, based on Backside Focused Ion Beam Preparation
Schlangen, Rudolf
Im Entwicklungsprozess moderner integrierter Schaltkreise hat sich seit den späten Achtzigerjahren der Bereich der ionenstrahl-basierten Schaltungsmodifikation fest etabliert. Mittels „Focused Ion Beam“ (FIB) Gerätschaften ist es hierbei möglich, Fehler in den Verdrahtungsebenen neuer Schaltkreise zu reparieren, und somit durch weitere Messungen alle vorhandenen Fehler, und deren Lösungen, bereits mit den ersten hergestellten Schaltkreisen ausfindig zu machen. Mit der stetigen Weiterentwicklung der Halbleitertechnologie, der steigenden Integrationsdichte, der wachsende Anzahl an Verdrahtungsebenen und der Anwendung immer zahlreicherer Materialien im Herstellungsprozess der Schaltkreise stoßen jedoch die etablierten Vorgehensweisen mehr und mehr an ihre Grenzen. Die Schaltungsmodifikation durch die Schaltkreisrückseite (Siliziumträgermaterial) bietet hier eine sehr vorteilhafte Alternative, da der Zugang zu den unteren Verdrahtungsebenen so enorm erleichtert wird. Der Schlüssel zu erfolgreichen rückseitigen Modifikationen ist dabei der kontrollierte- und planparallele Abtrag des Siliziumgrundmaterials im Zielgebiet. Den Kern dieser Arbeit bildet die Untersuchung der Auswirkungen dieses rückseitigen FIB Prozesses auf die statischen und dynamischen Leistungsparameter von Bauelementen und Schaltkreisen, produziert in einer 120 nm Technologie. Während sich die statischen Bauteil-parameter um ca. 10% verschlechterten, zeigten die dynamischen Schaltungseigenschaften eine Verbesserung um 10% bis 60%, in einer komplexen Abhängigkeit von der verbleibenden Schaltungsrestdicke, der Versorgungsspannung und der initialen Schaltungseigenschaften. Mithilfe von physikalischen Simulationen konnte ein umfassendes theoretisches Modell abgeleitet werden, welches die gemessenen Veränderungen einzelnen Effekten zuordnen lässt und somit Vorhersagen für die Auswirkung auf andere Schaltkreise (auch anderer Technologien) zulässt. Dies ermöglicht die gezielte Anwendung des FIB Prozesses um einzelne Schaltungsteile nachträglich zu beschleunigen und somit Laufzeitproblemen zu begegnen, für die es bislang kaum adäquate Lösungen gab, die aber mit steigender Signalgeschwindigkeit immer häufiger zu Problemen führen. Des Weiteren wurden alternative Kontaktierungsmethoden entwickelt, charakterisiert und erprobt, die klare Vorteile bezüglich ihrer Anwendbarkeit und ihrer Kontakteigenschaften gegenüber den herkömmlichen Methoden zeigen.
Ion beam based circuit modifications became a standard technique, applied during chip development since the late 1980s. Dedicated focused ion beam (FIB) tools allow repairing faults by rerouting the metal interconnects of a given circuitry. Due to the progress in semiconductor technology, with its increasing integration density, high number of metal layers and the usage of an ever increasing number of materials, the established FIB techniques are more and more facing their limitations. Through Silicon-, or backside circuit edit (CE) is an advantageous alternative, offering better access to the lower interconnect levels. The key for successful backside CE is the controlled and co-planar removal of the bulk Si in the area of interest. The main part of this work consists of an in-depth invasiveness study, where the impact of the FIB backside thinning onto static and dynamic circuitry performance is evaluated by use of 120 nm technology single FETs and ring oscillators. The static device performance decreased by ≈10% in contrast to which the dynamic circuitry performance increased by 10% up to 60%, showing a complex dependence on the remaining Si thickness, the core supply voltage and the underlying circuitry design. Using physical device simulations to reproduce and complement the experimental results allowed deriving a complete model, which links the performance alterations to certain physical effects, allowing forecasting the impact of the proposed procedure on different circuitries and technologies. Based on this understanding, the FIB process can now be utilized to modify the chip internal timing in a controlled and non-destructive way, which is often not possible with today’s established methodologies, but highly desired since these timing marginalities (or soft-fails) become a predominant limitation for recent and future high speed circuitries. Furthermore, alternative contact methodologies were developed, characterized and successfully applied, showing clear advantages in terms of their contact properties and general applicability compared to the established techniques.
