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16奈米及以下製程節點的良率與成本

2016年04月18日  | Robert Cappel、Cathy Perry-Sullivan/KLA-Tencor

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為以16奈米以下的製程節點生產IC裝置,半導體製造商整合了許多新技術,包括多重圖形、隔離層間距分割、3D邏輯與記憶體結構、新材料與複雜光罩。與這些創新技術相關的挑戰為半導體業界帶來了巨大的成本壓力。在這樣的環境中,高良率與快速提升良率在幫助半導體製造商保持盈利能力方面至關重要。


製程控制(process control)在過去30年,透過提供早期識別嚴重製程問題所需的檢測與度量技術幫助IC製造商提升良率。隨著IC裝置設計節點隨時間收縮,製程控制系統透過實現支援檢測抑制良率與可靠性的缺陷及製程變化的創新技術跟上步伐。


例如KLA-Tencor的光學晶圓檢測系統在過去的30年已從使用鎢鹵素(tungsten-halogen)光源、現成的顯微物鏡和感應器,發展成利用比太陽更亮的雷射激發寬頻光源、與步進機應用相同複雜的光學元件,以及比數位相機快1,000倍的客製化感應器。


目前的寬頻電漿光學圖形化晶圓檢測裝置,能夠檢測到10奈米的缺陷─那只比DNA鏈的直徑大四倍;要在12吋(300mm)晶圓片上的所有晶粒中檢測這些缺陷,困難度相當於在像是美國加州那麼大的區域範圍中,尋找散落距離可達數英哩的數百個硬幣─而且是在1小時之內。


用於生產目前尖端裝置的多種技術為製程控制帶來了挑戰。檢測與度量系統需能從較小的缺陷和製程/圖樣變化中擷取訊號,這些擷取通常在具有高長寬比特徵的複雜3D結構上進行。隨著新材料的使用和製程變化性的增加,訊號擷取需要在背景雜訊更強的環境中進行。此外,隨著使用多重圖形和更多的製程步驟,檢測與度量工具需要提高生產率,以便能執行足夠用於檢測偏差的生產監控。


例如,使用多重圖形技術生產的FinFET電晶體需要使用借助於先進檢測和度量系統的製程控制策略,這些系統整合了設計資訊並能夠產生應對較小的嚴重缺陷、3D結構和窄製程容許範圍(process window)所需的靈敏度。此外,檢測與度量解決方案也必須提高生產率,以便經濟有效地監控使用多重圖形製造FinFET電晶體相關的、越來越多的製程步驟。


這些挑戰推動了創新,催生能早期發現設計、圖形化或製程問題的獨特製程控制技術和解決方案;這類方案對於IC製造商至關重要,因為它能夠實現今日的尖端技術,以及未來能以更低風險與成本達到最大化提升良率與元件性能的技術。


製程控制的價值

做為製程控制核心的檢測與度量系統並不是用來製造IC裝置,因為它們不會添加/移除材料或者製作圖形;但製程控制對製造具備高良率的可靠元件至關重要,並非多餘步驟。


透過查找缺陷和測量關鍵參數,檢測與度量系統可監控製造元件所需的數百個步驟。這些製程控制措施可幫助晶圓廠的工程師在出現偏差時確定製程問題並解決問題。製程控制從根本上與良率相關聯,因為晶圓廠不透過檢測與度量,幾乎無法查明影響良率的製程問題。


快速提高良率從而快速將產品推向市場,對晶片製造商至關重要─良率提升有任何延誤都會影響營收,並有可能影響用於研發的未來投資以及下一代產品的發表。透過實施諸如強大的製程控制策略等步驟,晶圓廠能縮短開發時間、加快生產速度和提高產品良率。


事實上,晶片製造商可從製程控制獲得的價值有多種形式,包括:強大的投資回報、更低的製造成本與風險、更高的營收、更快的獲利速度、改善的產品週期、更高的利潤以及業務連貫性。


為讓讀者對製程控制價值有更進一步了解,我們收集了「製程控制的十個基本事實」(圖1)。透過這十個事實來了解製程控制的基本特性,晶圓廠可以實施用於確定嚴重缺陷、查找偏差和減少變異來源的策略。


圖1 製程控制對半導體 IC 產業的十個基本事實。
圖1 製程控制對半導體 IC 產業的十個基本事實。

有鑑於先進元件和製程整合日益升高的複雜度,晶圓廠在發展時必須考慮的最關鍵的事實為:製程控制需求會隨著設計規則演進而增加。如圖 2所示,製程步驟數量從16/14奈米節點開始急遽增加;隨著製程步驟的增加,所有步驟都必須為偏差、缺陷密度和變化性設定更高的標準。


圖2 製程步驟從16/14奈米節點開始隨設計規則微縮而急遽增加。
圖2 製程步驟從16/14奈米節點開始隨設計規則微縮而急遽增加。

若每一個步驟的良率均保持在28奈米節點的水準,那麼每個較小設計節點的預測累積良率將降低(圖3)。考量到這種良率損失的複合性質,晶圓廠須在每個獨立的製程步驟中保持更嚴格的控制和更低的缺陷密度。


圖3 隨著製程步驟的增加,如果每步驟良率均保持在28奈米的水準,則先進設計節點的預測累計良率將降低。
圖3 隨著製程步驟的增加,如果每步驟良率均保持在28奈米的水準,則先進設計節點的預測累計良率將降低。

這驅動對新製程控制策略的需要,這些策略不僅可檢測出嚴重影響良率的缺陷和微妙的製程變化,還可讓工程師增加檢測與度量樣本。此類製程控制能力支援對越來越多製程步驟的直接監測,以及快速檢測對晶圓製造成本具有顯著影響的偏差。


(未完,請參閱下頁更多內文及附圖)

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