IC工藝技術(shù)IC制造中的質(zhì)量控制

集成電路技術(shù)講座

第十一講集成電路制造中的質(zhì)量控制和成品率QualityControl&Yield內(nèi)容前言（一）成品率和成品率模型（二）制造環(huán)境－沾污控制（三）工藝優(yōu)化和試驗設(shè)計(DOE)（四）統(tǒng)計過程控制(SPC)（五）工藝設(shè)備狀態(tài)的控制(Off-lineQC)（六）產(chǎn)品工藝的控制(On-lineQC)（七）PCM在質(zhì)量控制中的作用（八）低合格率圓片原因分析

前言

－質(zhì)量目標(biāo)

產(chǎn)品指標(biāo)符合客戶（設(shè)計）要求參數(shù)一致性和重復(fù)性好成品率高可靠性高前言－實現(xiàn)質(zhì)量目標(biāo)的措施質(zhì)量保證體系（ISO9000，ISO16949）質(zhì)量體系文件；人員培訓(xùn)；產(chǎn)品設(shè)計和工藝開發(fā)的程序和評審；供應(yīng)商評審和進(jìn)料檢驗；儀器計量；不合格品控制；出廠檢驗；5S管理；內(nèi)審制度制造過程的質(zhì)量控制(QC)沾污控制；統(tǒng)計工具的應(yīng)用；生產(chǎn)設(shè)備狀態(tài)穩(wěn)定；關(guān)鍵工藝參數(shù)的監(jiān)控；PCM的監(jiān)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成品率公司品牌產(chǎn)品Y=Y1*Y2*Y3Y1(LineYield)=出片數(shù)/投入片數(shù)Y2揀選測試合格率(WaferSortYield)=合格芯片數(shù)/總芯片數(shù)Y3（封裝合格率）=封裝合格數(shù)/合格芯片數(shù)成品率趨勢圖（例）成品率趨勢圖（例）影響成品率的因素硅片直徑芯片尺寸制造環(huán)境工藝復(fù)雜性（光刻版數(shù)，工藝步數(shù)）特征尺寸晶體缺陷工藝成熟性成品率模模型－泊泊松模型型Y=e-ADA芯片片面積D缺缺陷密密度假設(shè)整個個硅片的的缺陷密密度是均均勻的，，且硅片片之間完完全相同同廣義的缺缺陷包括括材料缺缺陷，掩掩模版缺缺陷，顆顆粒，各各種沾污污，工藝藝缺陷假設(shè)都是是致命缺缺陷，考考慮缺陷陷致命與與非致命命時，引引入缺陷陷成為致致命缺陷陷的概率率Y=e-AD成品率模模型－墨墨菲(Murphy)模型Y=[(1-e-AD)/AD]2假設(shè)缺陷陷密度在在硅片上上和硅片片間都不不同．硅硅片中心心缺陷密密度低，，邊緣密密度高．．適于預(yù)預(yù)測VLSI和ULSI成品率率成品率模模型－(Seed)模型Y=e-AD也假設(shè)缺缺陷密度度在硅片片上和硅硅片間有有變化．．適于預(yù)預(yù)測VLSI和ULSI成成品率Murphy/Seed組合合模型Y=｛[(1-e-AD)/AD]2＋e-AD｝/2缺陷尺寸寸和致命命性2umSiO2Subpoly500A100A0.2um0.3umMetal缺陷的尺尺寸分布布和致命命性Ｙ低ＹＹ高高0.51.01.5缺陷大小(uA)1.00.80.60.4缺陷大小分分布Dsize(x)失效概率積積分核K(x)致命缺陷概概率=Dsize(x)K(x)dx0.2按層次細(xì)分分的成品率率模型有時成品率率公式細(xì)分分為單個工工藝步驟成成品率的乘乘積Y=Yi=e-ADii不同層次缺缺陷的致命命程度不一樣，例例如CMOS工藝中中，polygate,contact,metal尺寸接近近光刻最小小尺寸，小小缺陷容易易成為致命命缺陷，這這些工藝步步驟的成品品率起主要要作用。這這些稱關(guān)鍵鍵層。重點點要控制關(guān)關(guān)鍵層的缺缺陷設(shè)備決定缺缺陷數(shù)量和和大小分布布，工藝和和設(shè)計決定定缺陷的敏敏感度（積積分核K））缺陷密度趨趨勢圖（例例）成品率和芯芯片面積（（例）（二）制造造環(huán)境－沾沾污控制沾污的類型型顆粒金屬雜質(zhì)有機物沾污污自然氧化層層靜電釋放顆粒懸浮在空氣氣中的顆粒粒和黏附在在硅片上的的顆粒顆粒能引起起電路的開開路和短路路可以接受的的顆粒尺寸寸是必須小小于最小器器件特征尺尺寸的一半半每步工藝引引入到硅片片的超過一一定尺寸的的顆粒數(shù)(PWP)必須受控顆粒檢測：：激光掃描描硅片，檢檢測顆粒散散射的光強強及位置金屬雜質(zhì)重金屬雜質(zhì)質(zhì)Fe,Ni,Cu,Cr,Ti,W堿金屬雜質(zhì)質(zhì)Na,K重金屬雜質(zhì)質(zhì)沾污重金屬雜質(zhì)質(zhì)具有深能能級，它形形成復(fù)合中中心．少數(shù)數(shù)載流子壽壽命可反映映沾污水平平重金屬雜質(zhì)質(zhì)引起擊穿穿降低，漏漏電增加重金屬雜質(zhì)質(zhì)來源硅片，石英英管，管道道系統(tǒng)，化化學(xué)試劑，，刻蝕濺射射，硅片流流轉(zhuǎn)操作過過程通過測少子子壽命的方方法（如光光電導(dǎo)法））檢測重金金屬沾污光電導(dǎo)法測測少子壽命命11/etime清洗條件和和壽命清洗方法DCELifetime(uS)SC1No273263233Yes231245258SC1+SC2No120612331148Yes179318851736spv堿金屬雜質(zhì)質(zhì)沾污形成氧化物物中可動離離子電荷，，引起表面面漏電，開開啟電壓變變化來源：石英英器皿，人人體，化學(xué)學(xué)品，制造工序監(jiān)控方法：：CV+BT處理氧化層沾污污（可動電電荷）監(jiān)控控Na＋可動離子電電荷＋＋＋＋xxxx＋＋＋＋－－－－K+氧化層陷阱氧化層固定定電荷界面陷阱電電荷CV法測氧化層層電荷V(v)C(pf)CoVFBVFBQSS=CoVFBQM=CoVFBP-Si靜電釋放(ESD)靜電荷叢一一物體向另另一物體未未經(jīng)控制地地轉(zhuǎn)移．電電流泄放電電壓可以高高達(dá)幾萬伏伏．幾個納秒內(nèi)內(nèi)能產(chǎn)生超超過1A峰值電流，，可熔化和和蒸發(fā)金屬屬導(dǎo)體連線線，擊穿氧氧化層積累電荷的的硅片能吸吸引帶電顆顆粒和中性性顆粒靜電釋放(ESD)的防止防靜電的凈凈化間材料料人員和設(shè)備備接地離子發(fā)射器器－使空氣氣電離－中中和硅片上上靜電荷（三）工藝藝設(shè)計優(yōu)化化－試驗設(shè)設(shè)計試驗設(shè)計試驗設(shè)計DOE,DesignofExperiments*在諸多多工藝參數(shù)數(shù)中找出主主要因素*用較少少的工藝試試驗次數(shù)決決定工藝條條件Taguchi法刻蝕試驗的的全因素試試驗輸入?yún)?shù)1.RF功功率(w)2.壓壓力(mTorr)3.腔室溫溫度(C)4.CF4%5.本底壓壓力(Torr)6.硅片片數(shù)量7.總氣流流量(slpm)結(jié)果：刻蝕蝕速率全因素試驗驗每個參參數(shù)（因子子）取三個個值，需做做37即2187次試驗刻蝕試驗的的正交矩陣陣(OA)因素1234567試1LLLLLLL試2LLLHHHH試3LHHLLHH試4LHHHHLL試5HLHLHLH試6HLHHLHL試7HHLLHHL試8HHLHLLH刻蝕試驗的的試驗參數(shù)數(shù)變量H級L級1RF功率(w)5001002壓力(mTorr)50103腔室溫度(C)80404CF4%75505本底壓力(Torr)1x10-41x10-56硅片數(shù)量417總氣流量(slpm)2.51.0L8OA試驗刻蝕蝕結(jié)果1234567Etchrate(kA/min)試1LLLLLLL0.760試2LLLHHHH0.895試3LHHLLHH0.400試4LHHHHLL0.755試5HLHLHLH1.575試6HLHHLHL1.800試7HHLLHHL1.170試8HHLHLLH1.515方差分析試驗偏差SS=[(H)-(L)]2/8以因素1（（射頻功率率）為例SSpower=(6.06-2.81)2/8＝1.32數(shù)據(jù)分析例例變量SSdfVF1功率1.32.11.32603.499%顯著2壓力0.17710.17780.999%顯著3腔室溫度0.005***4CF4%0.14010.14064.099%顯著5本底壓力0***6硅片數(shù)量0.01410.0146.490%顯著7總氣流量0.001***（四）統(tǒng)計計過程控制制(SPC)StatisticalProcessControl工藝受控的的概念生產(chǎn)中即使使原料和工工藝條件‘‘保持不變變’，工藝藝結(jié)果也存存在起伏．．原因分兩兩類：1.隨機原原因（不可可避免）－－服從統(tǒng)計計規(guī)律2.異常原原因如過過失誤差，，條件改變變，變化突突然異常大大，或有一一定趨勢．．若只存在隨隨機原因引引起的起伏伏稱工藝處處于統(tǒng)計受控狀狀態(tài)正態(tài)分布函函數(shù)T=6TLTU-33-------X99.73%X控制圖圖UCLLCLX控制圖平均值－極極差控制圖圖(X--R)平均值控制制圖的控制制限計算UCL=T+3LCL=T-3T:參參數(shù)目標(biāo)值值極差控制圖圖的控制限限計算UCL=D4RLCL=D3RR：極差平均值值平均值－標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)差控制制圖(X--S)SPC流程確定關(guān)鍵工工藝過程節(jié)節(jié)點及其關(guān)關(guān)鍵工藝參參數(shù)采集工藝參參數(shù)數(shù)據(jù)工藝受控狀狀態(tài)分析控制圖失控控時，執(zhí)行行改進(jìn)行動動(OCAP)控制圖失控控判據(jù)1點超控制制限連續(xù)9點在在目標(biāo)值一一側(cè)連續(xù)6點上上升或下降降連續(xù)3點中中有2點在在2線以外連續(xù)5點中中有4點在在1線以外連續(xù)8點中中無1點在在1線以內(nèi)工序能力指指數(shù)Ck和CpkCk＝(TU-TL)/6Cpk＝(TU-TL)/6[1-K]K＝[X-∣∣(TU+TL)/2∣∣]/(TU-TL)/2XTUTL0（五）設(shè)備備狀態(tài)的控控制OfflineQC設(shè)備狀態(tài)的的控制新進(jìn)設(shè)備投投入生產(chǎn)前前必須進(jìn)行行工藝驗證證每一關(guān)鍵設(shè)設(shè)備至少有有一個控制制圖，確保保處于受控控狀態(tài)光刻機套套準(zhǔn)偏離離CD腐蝕設(shè)備腐腐蝕速率率CD氧化擴散爐爐氧化層層厚度，Qss/Nion,顆粒離子注入方方塊電電阻設(shè)備必須定定期進(jìn)行維維護(hù)保養(yǎng)(PM)擴散爐溫度度穩(wěn)定性1175℃℃24hrT<1℃1175C,24hrT<1℃℃Boatin后溫溫度變化進(jìn)舟后溫度度穩(wěn)定需15分鐘Zone1ZONE!Zone1擴散爐升溫溫特性升溫需5分鐘穩(wěn)定擴散爐降溫溫特性降溫需20分鐘穩(wěn)定定方塊電阻控控制圖（重重復(fù)性）Average:225.29/□STDV:2.414多臺擴散爐爐匹配E1E2E3AverageE1:224.01E2:223.86E3:223.43/□E1E2E3BOE腐蝕蝕速率控制制圖氧化層厚度度均勻性監(jiān)監(jiān)控氧化層厚度度均勻性監(jiān)監(jiān)控（三維維）（六）產(chǎn)品品工藝的控控制On-lineQC產(chǎn)品工藝的的控制對器件參數(shù)數(shù)影響大的的工序和工工藝參數(shù)實實施控制Bipolar外延－厚度度，電阻率率基區(qū)氧化擴擴散－氧化化層厚度，，方塊電阻阻CMOS柵氧化厚度度多晶硅柵特特征寬度質(zhì)量控制計計劃工序名稱參數(shù)名稱參數(shù)范圍抽樣頻率控制方法行動計劃外延厚度8.0+/-0.5um1p/lotSPCOCAP外延電阻率1.7+/-0.2ohmcm1p/lotSPCOCAP隔離光刻ADI.CD4.0+/-0.4um1p/lotSPECNCR隔離腐蝕AEI.CD4.9+/-0.5um1p/lotSPECNCR基區(qū)光刻AEICD4.6+/-0.5um/sq1p/lotSPCOCAP基區(qū)推進(jìn)方阻223+/-8ohm/sq1p/lotSPCOCAP基區(qū)刻蝕后后CD控制制圖（例））外延厚度控控制圖（例例）（七）PCM在質(zhì)量量控制中中的作用PCM圖形形PCM圖形形PCM圖形形插插在在劃劃片片道道內(nèi)內(nèi)PCM圖圖形形內(nèi)內(nèi)容容（（雙雙極極））晶體體管管npn,pnp二極極管管電阻阻基區(qū)區(qū)電電阻阻，，發(fā)發(fā)射射區(qū)區(qū)電電阻阻，，外外延延電電阻阻，，夾夾斷斷電電阻阻，，埋埋層層電電阻阻，，隔隔離離區(qū)區(qū)電電阻阻，，深深磷磷電電阻阻電容容范德德堡堡法法測測薄薄層層電電阻阻R=1/4[V12/I34+V23/I41+V34/I12+V41/I23]Rs=(/ln2)FRPinch電電阻阻PbaseＰ襯襯底底NEpi測埋埋層層電電阻阻和和深深磷磷電電阻阻V1V2I1I2RDNRBUV1=I1(2RDN+RBU)V2=I2(2RDN+2RBU)PCM圖形形內(nèi)內(nèi)容容（（雙雙極極））不同同區(qū)區(qū)域域擊擊穿穿電電壓壓外延延層層／／隔隔離離，，基基區(qū)區(qū)／／隔隔離離，，深深磷磷／／隔隔離離場開開啟啟電電壓壓接觸觸電電阻阻和和接接觸觸鏈鏈金屬屬爬爬臺臺階階層間間套套準(zhǔn)準(zhǔn)接觸觸鏈鏈圖圖形形金屬屬爬爬臺臺階階圖圖形形基區(qū)區(qū)電電阻阻傾傾向向圖圖注入入電電阻阻傾傾向向圖圖（八八））低低合合格格率率圓圓片片原原因因分分析析低合合格格率率圓圓片片原原因因分分析析1圓圓片片表表面面檢檢查查(VisualInspection)2失失效效分分布布定定位位圖圖檢檢查查(Bin-mappingReview)3PCM參參數(shù)數(shù)檢檢查查(PCMdataCheck)4批批歷歷史史記記錄錄檢檢查查(Lot-historyCheck)5共共性性檢檢查查(CommonalityCheck)6相相關(guān)關(guān)性性分分析析(CorrelationAnalysis)7其其它它失失效效分分析析方方法法（（如如元元器器件件電電性性能能測測試試、、圓圓片片表表面面染染色色、、芯芯片片剖剖面面結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)分分析析等等））低合合格格率率圓圓片片分分析析（（例例1））失效效芯芯片片集集中中在在基基準(zhǔn)準(zhǔn)面面及及對對面面V字字狀狀區(qū)區(qū).PCMNPN管管漏漏電電低合合格格率率圓圓片片分分析析（（例例1））低合合格格率率區(qū)區(qū)有有很很多多滑滑移移線線，，滑