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制造工艺
半导体产业工艺控制(缺陷检测与量测)根本法则(十)
录入时间:2016/6/8 14:34:51

Process Watch用工艺控制降低生产成本 

作者:Douglas G. Sutherland 和 David W. Price

 作者按语:本文是探索半导体产业工艺控制(缺陷检测与量测)根本法则的十集系列连载中的最后一集。每篇文章介绍十个根本法则之一,并着重说明其含义。在本文中,我们将使用检测”这一术语来表示缺陷检测或参数量测,例如薄膜厚度或关键尺寸 (CD)

 在本系列第 8 集1《数量为王》中,我们讨论了工艺步骤日益增多的趋势——在 20 纳米和 10 纳米节点之间,步骤数量预计会翻倍——而这些增加的步骤将影响最终成品率。除了对成品率的影响之外,工艺流程复杂程度的增加也会提高生产成本及延长周期时间。随着这些趋势的蔓延,管理成本和周期时间对晶圆厂的运营会变得越来越重要。

 

半导体集成电路产业工艺控制的第十个根本法则是:

采用工艺控制以降低生产成本和周期时间

要拥有高效率、低成本的晶圆厂,关键在于能够及时地收集到关于工艺的有用信息。工艺控制工具(量测与检测)是晶圆厂的眼睛和耳朵,它们能够洞察哪些运作正常而哪些不运作:它们是对“工艺信息”的投资。在 2007 年的文章2 中,美国商务部国家标准与技术研究院 (NIST) 预计仅量测的平均投资回报率就高达 300%。

此系列前几期的文章中已经阐释了工艺控制如何通过降低次品率以及减少与可靠性3 不合格相关的报废和原材料成本来降低成本。同样,改善成品率可减少晶圆厂运营在每个合格芯片所留下的环境足迹4 在本文中,我们将分析通过工艺控制实现降低成本和提升工厂效率的其他两个要素:

1.       从节点到节点的工艺设备再利用

2.       改善净周期时间

 

设备再利用

现代晶圆厂成本的最大的单项开支就是资本折旧。公司与公司间的情况各不相同,但是在通常情况下,晶圆厂资本设备在 5 年时间内会以每年 20% 的速度折旧。如果您能将一台设备的使用寿命延长至超出其完全折旧的那一刻,基本上就相当于您此后免费得到了该设备。如果您能找到再利用一整套工艺设备(光刻机、蚀刻机等)的方法,所节约的费用能够轻易达到数千万甚至数亿美元。

 最终,一个工艺设备必须满足使用它的生产工艺所要求的技术规格。然而,在设备的制程能力勉强合格的情况下,可通过更密切的监控延长其使用寿命——使用现有的量测或检测工具,以保障设备在规定的工艺规格范围内继续工作。更频繁地进行工艺设备监控有助于改善设备间的匹配度,并确保设备不会偏移至规范之外。为了获得稳定的反馈和前馈方案,更多的线上检测可以提供更好的平均值,从而更好地控制实际工艺。在这些情况下,工艺控制有助于延长现有工艺设备的使用寿命——所以说,增加工艺控制实际上能够节省开支。

工艺能力指数 (Cpk) 是衡量某项工艺的自然变化是否分布在规格上下限之内的一个指标。对于具有对称分布的中心工艺,Cpk 值由公式 1 得出:

 

Cpk = (USL – LSL) / 6s                 公式 1

 

其中 USL 和 LSL 分别代表规格的上限和下限,而 s 则代表工艺的标准差。如果 Cpk 值大于 1,则工艺会被认为是可行的。如果 Cpk 值小于 1,则表示工艺不可行。

假设某个蚀刻工艺步骤的CD 测量的 Cpk 正好等于 1 的情况(比如,该步骤处于可行的临界点,其规格的上限和下限相距平均值均为 3 个标准差)。该工艺勉强胜任可能要归咎于之前的光刻步骤、或蚀刻步骤,或两者兼有。无论是升级哪一个工艺设备来改善 Cpk (工艺能力)都代价不菲。

工艺的胜任能力通常可以通过使用数据前馈方案得以提升——采用额外的量测来全面表征某个步骤(例如光刻)的工艺,然后前馈该信息,在蚀刻步骤调整参数,以便为每个批次或晶圆有效地量身定制工艺条件。以下图 1 显示了蚀刻后 CD(有或无前馈)的统计工艺控制 (SPC) 示例。

 

 

1. 左:无前馈蚀刻 CD 的 SPC 图 (Cpk=1.0)。右:有前馈蚀刻 CD 的 SPC 图 (Cpk=1.3)。

 

通过采用反馈和前馈方案,有效地扩大了设备运行的工艺窗口,工艺设备的使用寿命因而得以延长。即便光刻步骤的CD 测量值略微偏离目标值,该信息仍可被用于调整蚀刻工艺步骤的蚀刻偏差,从而使其在蚀刻步骤的重回目标。

 

 

周期时间

周期时间是另一个非常重要的生产衡量标准。在即将刊发的文章中,我们将更加详细地阐述周期时间,但这里,我们想简要谈谈周期时间和工艺控制之间的反直觉关系。

任何导致晶圆批次不能正常流动的变量都会增加周期时间。增加检测步骤会增加被抽检批次的周期时间,但是由于采样的缘故(并不是每个批次都会被检测),平均而言,其影响要小得多。当确实出现偏移时,只有相对极少的工艺设备不得不停工(因为检测点靠得更近),并且制程工程师将能够以快得多的速度将问题隔离。晶圆厂的总中断时间(可变性)将缩短,且所有批次的周期时间都将得到改善。这种反直觉的概念已在若干晶圆厂得到证实,它们增加了检测步骤,同时也缩短了周期时间。

总之,增加工艺控制步骤能够在若干方面促进晶圆厂的效率(图 2):提高基准成品率、延长现有工艺设备的使用寿命、减少偏移时间,以及缩短周期时间。

 

 

2. 工艺控制的相继受益。

 

在我们结束工艺控制 10 大根本法则1,3,5-11 的系列连载之际,我们衷心感谢您的阅读。我们希望,在集成电路制造领域,这些文章让您能够更深刻地了解工艺控制的价值,以及成功实施工艺控制的基础知识。在未来几个月的 Process Watch 文章中,我们期待探讨工艺控制的其他方面。

 

参考文献:

1)            Process Watch:Increasing Process Steps and the Tyranny of Numbers(增加工艺步骤和数量为王),Solid State Technology(固态技术),2015 年 7 月

2)            “Economic Impact of Measurement in the Semiconductor Industry”(“量测在半导体产业中的经济影响”),Planning Report(计划报告)07-2,美国商务部国家标准与技术研究院 (National Institute of Standards and Technology),2007 年 12 月。

3)            Process Watch:The Most Expensive Defect- Part 2(代价最大的缺陷 - 第二部分),Solid State Technology(固态技术),2015 年 7 月。

4)            Reducing Environmental Impact with Yield Management(用成品率管理来减少环境影响),Chip Design(芯片设计),2012 年 7 月。

5)            Process Watch:You Can’t Fix What You Can’t Find(不能发现就无法解决),Solid State Technology(固态技术),2014 年 7 月

6)            Process Watch:Sampling Matters(采样问题),Semiconductor Manufacturing and Design(半导体制造与设计),2014 年 9 月

7)            Process WatchThe Most Expensive Defect(代价最大的缺陷),Solid State Technology(固态技术),2014 年 12 月

8)            Process Watch:Fab Managers Don’t Like Surprises(半导体厂经理们不喜欢任何意外),Solid State Technology(固态技术),2014 年 12 月

9)            Process Watch:Know Your Enemy(了解你的敌人),Solid State Technology(固态技术),2015 年 3 月

10)         Process Watch:Time is The Enemy of Profitability(时间是利润率的大敌),Solid State Technology(固态技术),2015 年 5 月

11)         Process Watch:Risky Business(有风险的企业),Solid State Technology(固态技术),2015 年 9 月。

 

 

作者简介

David W. Price 博士是 KLA-Tencor 公司的高级总监。Douglas Sutherland 博士是 KLA-Tencor 公司的首席科学家。在过去 10 年间,Price 博士和 Sutherland 博士一直与 50 多家半导体集成电路制造商直接合作,帮助他们优化整体检测策略,以实现最低总成本。此系列文章试图总结出他们在这些工作中观察到的一些普遍经验。


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