IC工艺技术11-IC制造中的质量控制

集成电路技术讲座第十一讲集成电路制造中的质量控制和成品率QualityControl&Yield内容前言（一）成品率和成品率模型（二）制造环境－沾污控制（三）工艺优化和试验设计(DOE)（四）统计过程控制(SPC)（五）工艺设备状态的控制(Off-lineQC)（六）产品工艺的控制(On-lineQC)（七）PCM在质量控制中的作用（八）低合格率圆片原因分析前言－质量目标产品指标符合客户（设计）要求参数一致性和重复性好成品率高可靠性高前言－实现质量目标的措施•质量保证体系（ISO9000，ISO16949）质量体系文件；人员培训；产品设计和工艺开发的程序和评审；供应商评审和进料检验；仪器计量；不合格品控制；出厂检验；5S管理；内审制度•制造过程的质量控制(QC)沾污控制；统计工具的应用；生产设备状态稳定；关键工艺参数的监控；PCM的监控作用（一）成品率和成品率模型成品率•代工（Fundry）•Y=Y1*Y2*Y3Y1(LineYield)PCMin／WaferstartY2(PCMYield)PCMout/PCMinY3(VisualYield)Stockin/PCMout成品率•公司品牌产品•Y=Y1*Y2*Y3•Y1(LineYield)=出片数/投入片数•Y2拣选测试合格率(WaferSortYield)•=合格芯片数/总芯片数•Y3（封装合格率）•=封装合格数/合格芯片数成品率趋势图（例）成品率趋势图（例）影响成品率的因素•硅片直径•芯片尺寸•制造环境•工艺复杂性（光刻版数，工艺步数）•特征尺寸•晶体缺陷•工艺成熟性成品率模型－泊松模型•Y=e-AD•A芯片面积D缺陷密度•假设整个硅片的缺陷密度是均匀的，且硅片之间完全相同•广义的缺陷包括材料缺陷，掩模版缺陷，颗粒，各种沾污，工艺缺陷•假设都是致命缺陷，考虑缺陷致命与非致命时，引入缺陷成为致命缺陷的概率•Y=e-AD成品率模型－墨菲(Murphy)模型•Y=[(1-e-AD)/AD]2•假设缺陷密度在硅片上和硅片间都不同．硅片中心缺陷密度低，边缘密度高．适于预测VLSI和ULSI成品率成品率模型－(Seed)模型•Y=e-AD•也假设缺陷密度在硅片上和硅片间有变化．适于预测VLSI和ULSI成品率•Murphy/Seed组合模型•Y=｛[(1-e-AD)/AD]2＋e-AD｝/2缺陷尺寸和致命性2umSiO2Subpoly500A100A0.2um0.3umMetal缺陷的尺寸分布和致命性•Ｙ低Ｙ高0.51.01.5缺陷大小(uA)1.00.80.60.4缺陷大小分布Dsize(x)失效概率积分核K(x)致命缺陷概率=Dsize(x)K(x)dx0.2按层次细分的成品率模型•有时成品率公式细分为单个工艺步骤成品率的乘积Y=Yi=e-ADii•不同层次缺陷的致命程度不一样，例如CMOS工艺中，polygate,contact,metal尺寸接近光刻最小尺寸，小缺陷容易成为致命缺陷，这些工艺步骤的成品率起主要作用。这些称关键层。重点要控制关键层的缺陷•设备决定缺陷数量和大小分布，工艺和设计决定缺陷的敏感度（积分核K）缺陷密度趋势图（例）成品率和芯片面积（例）MOS52H04YieldD=0.0005/mm20.50.60.70.80.912676126176226276Area(mm2)YIeldMOS52H04Equation（二）制造环境－沾污控制沾污的类型•颗粒•金属杂质•有机物沾污•自然氧化层•静电释放颗粒•悬浮在空气中的颗粒和黏附在硅片上的颗粒•颗粒能引起电路的开路和短路•可以接受的颗粒尺寸是必须小于最小器件特征尺寸的一半•每步工艺引入到硅片的超过一定尺寸的颗粒数(PWP)必须受控•颗粒检测：激光扫描硅片，检测颗粒散射的光强及位置金属杂质•重金属杂质Fe,Ni,Cu,Cr,Ti,W•碱金属杂质Na,K重金属杂质沾污•重金属杂质具有深能级，它形成复合中心．少数载流子寿命可反映沾污水平•重金属杂质引起击穿降低，漏电增加•重金属杂质来源硅片，石英管，管道系统，化学试剂，刻蚀溅射，硅片流转操作过程•通过测少子寿命的方法（如光电导法）检测重金属沾污光电导法测少子寿命11/etime清洗条件和寿命清洗方法DCELifetime(uS)SC1No273263233Yes231245258SC1+SC2No120612331148Yes179318851736spv碱金属杂质沾污•形成氧化物中可动离子电荷，引起表面漏电，开启电压变化•来源：石英器皿，人体，化学品，制造工序•监控方法：CV+BT处理氧化层沾污（可动电荷）监控Na＋可动离子电荷＋＋＋＋xxxx＋＋＋－－－K+氧化层陷阱氧化层固定电荷界面陷阱电荷CV法测氧化层电荷V(v)C(pf)CoVFBVFBQSS=CoVFBQM=CoVFBP-Si静电释放(ESD)•静电荷丛一物体向另一物体未经控制地转移．电流泄放电压可以高达几万伏．•几个纳秒内能产生超过1A峰值电流，可熔化和蒸发金属导体连线，击穿氧化层•积累电荷的硅片能吸引带电颗粒和中性颗粒静电释放(ESD)的防止•防静电的净化间材料•人员和设备接地•离子发射器－使空气电离－中和硅片上静电荷（三）工艺设计优化－试验设计试验设计•试验设计DOE,DesignofExperiments*在诸多工艺参数中找出主要因素*用较少的工艺试验次数决定工艺条件•Taguchi法刻蚀试验的全因素试验输入参数1.RF功率(w)2.压力(mTorr)3.腔室温度(C)4.CF4%5.本底压力(Torr)6.硅片数量7.总气流量(slpm)结果：刻蚀速率全因素试验每个参数（因子）取三个值，需做37即2187次试验刻蚀试验的正交矩阵(OA)因素1234567试1LLLLLLL试2LLLHHHH试3LHHLLHH试4LHHHHLL试5HLHLHLH试6HLHHLHL试7HHLLHHL试8HHLHLLH刻蚀试验的试验参数变量H级L级1RF功率(w)5001002压力(mTorr)50103腔室温度(C)80404CF4%75505本底压力(Torr)1x10-41x10-56硅片数量417总气流量(slpm)2.51.0L8OA试验刻蚀结果1234567Etchrate(kA/min)试1LLLLLLL0.760试2LLLHHHH0.895试3LHHLLHH0.400试4LHHHHLL0.755试5HLHLHLH1.575试6HLHHLHL1.800试7HHLLHHL1.170试8HHLHLLH1.515方差分析•试验偏差•SS=[(H)-(L)]2/8•以因素1（射频功率）为例•SSpower=(6.06-2.81)2/8＝1.32数据分析例变量SSdfVF1功率1.32.11.32603.499%显著2压力0.17710.17780.999%显著3腔室温度0.005***4CF4%0.14010.14064.099%显著5本底压力0***6硅片数量0.01410.0146.490%显著7总气流量0.001***（四）统计过程控制(SPC)StatisticalProcessControl工艺受控的概念•生产中即使原料和工艺条件‘保持不变’，工艺结果也存在起伏．原因分两类：1.随机原因（不可避免）－服从统计规律2.异常原因如过失误差，条件改变，变化突然异常大，或有一定趋势．•若只存在随机原因引起的起伏称工艺处于统计受控状态正态分布函数T=6TLTU-33-------X99.73%X控制图0123450102030LotNumberXUCLLCLX控制图•平均值－极差控制图(X--R)平均值控制图的控制限计算UCL=T+3LCL=T-3T:参数目标值极差控制图的控制限计算UCL=D4RLCL=D3RR：极差平均值•平均值－标准差控制图(X--S)SPC流程•确定关键工艺过程节点及其关键工艺参数•采集工艺参数数据•工艺受控状态分析•控制图失控时，执行改进行动(OCAP)控制图失控判据•1点超控制限•连续9点在目标值一侧•连续6点上升或下降•连续3点中有2点在2线以外•连续5点中有4点在1线以外•连续8点中无1点在1线以内工序能力指数Ck和Cpk•Ck＝(TU-TL)/6•Cpk＝(TU-TL)/6[1-K]•K＝[X-∣(TU+TL)/2∣]/(TU-TL)/2XTUTL0（五）设备状态的控制OfflineQC设备状态的控制•新进设备投入生产前必须进行工艺验证•每一关键设备至少有一个控制图，确保处于受控状态光刻机套准偏离CD腐蚀设备腐蚀速率CD氧化扩散炉氧化层厚度，Qss/Nion,颗粒离子注入方块电阻•设备必须定期进行维护保养(PM)扩散炉温度稳定性1175℃24hrT1℃I224小时单点温度精度11.50411.50811.51211.51611.52011.52411.52811.53211.53611.54013:0014:0015:0016:0017:0018:0019:0020:0021:0022:0023:000:001:002:003:004:005:006:007:008:009:0010:0011:0012:0013:001175C,24hrT1℃Boatin后温度变化6206406606807007207407607808000:09:000:07:300:06:000:04:300:03:000:01:300:00:000:01:300:03:000:04:300:06:000:07:300:09:000:10:300:12:000:13:30进舟后温度稳定需15分钟Zone1ZONE!Zone1扩散炉升温特性10651070107510801085109010951100110511100:02:000:01:300:01:000:00:300:00:000:00:300:01:000:01:300:02:000:02:300:03:000:03:300:04:00升温需5分钟稳定扩散炉降温特性7808008208408608809009200:21:000:19:000:17:000:15:000:13:000:11:000:09:000:07:000:05:000:03:000:01:000:01:000:03:000:05:000:07:000:09:000:11:000:13:000:15:000:17:000:19:00降温需20分钟稳定方块电阻控制图（重复性）20020220420620821021221421621822022222422622823023223412345678910111213141516Average02468101214161820极差Average:225.29/□STDV:2.414多台扩散炉匹配2002022042062082102122142162182202222242262282302322341591317212529333741454953576165Average02468101214161820极差E1E2E3AverageE1:224.01E2:223.86E3:223.43/□E1E2E3BOE腐蚀速率控制图氧化层厚度均匀性监控氧化层厚度均匀性监控（三维）（六）产品工艺的控制On-lineQC产品工艺的控制•对器件参数影响大的工序和工艺参数实施控制•Bipolar外延－厚度，电阻率基区氧化扩散－氧化层厚度，方块电阻•CMOS栅氧化厚度多晶硅栅特征宽度质量控制计划工序名称参数名称参数范围抽样频率控制方法行动计划外延厚度8.0+/-0.5um1p/lotSPCOCAP外延电阻率1.7+/-0.2ohmcm1p/lotSPCOCAP隔离光刻ADI.CD4.0+/-0.4um1p/lotSPECNCR隔离腐蚀AEI.CD4.9+/-0.5um1p/lotSPECNCR基区光刻AEICD4.6+/-0.5um/sq1p/lotSPCOCAP