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Quality Control&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-line QC)（六）产品工艺的控制(On-line QC)（七）PCM在质量控制中的作用（八）低合格率圆片原因分析前言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（一）成品率和成品率模型成品率 代工（Fundry）Y=Y1*Y2*Y3 Y1(Line Yield)PCM inWafer startY2(PCM Yield)PCM out/PCM inY3(Visual Yield)Stock in/PCM out成品率 公司品牌产品 Y=Y1*Y2*Y3 Y1(Line Yield)=出片数/投入片数 Y Y2 2 拣选测试合格率拣选测试合格率(Wafer Sort Yield)(Wafer Sort Yield)=合格芯片数合格芯片数/总芯片数总芯片数 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=eY=e-AD-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=eY=e-AD-AD 成品率模型墨菲(Murphy)模型 Y=(1-eY=(1-e-AD-AD)/AD)/AD2 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=eY=e-ADAD 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=Y=(1-e(1-e-AD-AD)/AD)/AD2 2e e-ADAD/2/2缺陷尺寸和致命性2um SiO2Subpoly500A100A0.2um0.3umMetal缺陷的尺寸分布和致命性 低高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=Y=Yi=Yi=e e-ADi-ADi i i 不同层次缺陷的致命程度不一样，例如CMOS工艺中，poly gate,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）MOS 5 2H04 YieldD=0.0005/mm20.50.60.70.80.912676126176226276Area(mm2)YIeldMOS 5 2H04Equation（二）制造环境沾污控制（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DCELife time(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)CoVFBVFBQSS=CoVFBQM=CoVFBP-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（三）工艺设计优化试验设计设计试验设计 试验设计 DOE,Design of Experiments *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)2.51.0L8 OA试验刻蚀结果1234567Etch rate(kA/min)试1 LLLLLLL0.760试2 LLLHHHH0.895试3 LHHLLHH0.400试4 LHHHHLL0.755试5 HLHLHLH1.575试6 HLHHLHL1.800试7 HHLLHHL1.170试8 HHLHLLH1.515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)2/81.32数据分析例变量SSdf VF1 功率功率1.32.11.32603.4603.499%99%显著显著2 压力压力0.17710.177 80.980.999%99%显著显著3 腔室温度 0.005*4 CFCF4 4%0.14010.140 64.064.099%99%显著显著5 本底压力 0*6 硅片数量 0.01410.014 6.490%显著7 总气流量 0.001*（四）统计过程控制（四）统计过程控制(SPC)(SPC)Statistical Process Control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统计受控状态正态分布函数T=6TLTU-33-X99.73%X控制图0123450102030Lot NumberXUCLLCLX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=D4 R LCL=D3R R：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（五）设备状态的控制 Offline QCOffline QC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 T11175C,24hr T1Boat in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Zone 1ZONE!Zone 1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降温需20分钟稳定方块电阻控制图（重复性）Average:225.29/STDV:2.414多台扩散炉匹配2002022042062082102122142162182202222242262282302322341591317212529333741454953576165Average02468101214161820极差E1E2E3Average E1:224.01 E2:223.86 E3:223.43/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（六）产品工艺的控制On-line QCOn-line QC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 AEI CD4.6+/-0.5um/sq1p/lotSPCOCAP基区推进 方阻223+/-8ohm/sq1p/lotSPCOCAP基区刻蚀后CD控制图（例）外延厚度控制图（例）（七）（七）PCMPCM在质量控制在质量控制中的作用中的作用PCM图形PCM图形PCM图形插在划片道内PCM图形内容（双极）晶体管 npn,pnp 二极管 电阻基区电阻，发射区电阻，外延电阻，夹断电阻，埋层电阻，隔离区电阻，深磷电阻 电容范德堡法测薄层电阻R=1/4V12/I34+V23/I41+V34/I12+V41/I23Rs=(/ln2)FRPinch电阻 P base衬底N Epi测埋层电阻和深磷电阻V1V2I1I2RDNRBUV1=I1(2RDN+RBU)V2=I2(2RDN+2RBU)PCM图形内容（双极）不同区域击穿电压外延层隔离，基区隔离，深磷隔离 场开启电压 接触电阻和接触链 金属爬台阶 层间套准接触链图形金属爬台阶图形基区电阻倾向图Rpbase trend300320340360380400420440035188-1 037360-1 038400-2 039142-1 03A448-1 03B005-1 03B073-1 03B004-1 03B504-2 03C289-1 03C443-1 041064-1 041349-1 041242-1 042544-1 043133-1 043292-1 043452-1 043606-1 045253-1 045374-1 045104-1 046053-1 046243-1 046564-1 047133-1 047342-1 047494-1 047665-1 047809-1 048057-1 048289-1 04A345-2 048284-1 048505-1 04A350-1 04A588-1 04A865-1 04A126-1 04B191-1 04B182-1 lot350D-1and 350D-3Abnormal注入电阻倾向图rir trend1.51.61.71.81.92.02.12.22.32.42.52.62.72.82.93.0035188-1 037360-1 038400-2 039142-1 03A448-1 03B005-1 03B073-1 03B004-1 03B504-2 03C289-1 03C443-1 041064-1 041349-1 041242-1 042544-1 043133-1 043292-1 043452-1 043606-1 045253-1 045374-1 045104-1 046053-1 046243-1 046564-1 047133-1 047342-1 047494-1 047665-1 047809-1 048057-1 048289-1 04A345-2 048284-1 048505-1 04A350-1 04A588-1 04A865-1 04A126-1 04B191-1 04B182-1 lot350D-1 and 350D-3 abnormal（八）低合格率圆片（八）低合格率圆片原因分析原因分析低合格率圆片原因分析 1 圆片表面检查(Visual Inspection)2 失效分布定位图检查(Bin-mapping Review)3 PCM参数检查(PCM data Check)4 批历史记录检查(Lot-history Check)5 共性检查(Commonality Check)6 相关性分析(Correlation Analysis)7 其它失效分析方法（如元器件电性能测试、圆片表面染色、芯片剖面结构分析等）低合格率圆片分析（例1）失效芯片集中在基准面及对面V字状区.PCM NPN管漏电低合格率圆片分析（例1）低合格率区有很多滑移线，滑移线区显现很多三角形腐蚀坑低合格率圆片分析（例2）1.本批有五片合格率为0(19#,21-24#)2.在PCM数据中，这些片NPN管的BVceo偏低。复测19#PCM Bvceo软 3.查历史记录发现生长EPI时，#19#24是第一炉，#10#18是第二炉，#1#9是第三炉。低合格率圆片分析（例2）表面染色后用显微镜观察到P型电阻区域,NPN与L-PNP等区域都存在大量氧化堆垛缺陷。低合格率原因：第一炉外延有问题低合格率圆片分析（例3）颗粒引起失效（Icc超标）谢谢观看/欢迎下载BY FAITH I MEAN A VISION OF GOOD ONE CHERISHES AND THE ENTHUSIASM THAT PUSHES ONE TO SEEK ITS FULFILLMENT REGARDLESS OF OBSTACLES.BY FAITH I BY FAITH