300mm晶圆厂架构的比较分析.doc

300mm晶圓廠架構的比較分析：製程設備對於晶圓成本和動態效能的影響By Robert Bachrach, Mark Pool, Karen Genovese*, JC Moran, Applied Materials, Inc.; Michael D. OHalloran, Thomas J. Connolly, IDC介紹半導體晶圓廠是一個非常複雜的製造環境，其包含250至300種製程機台，需執行50至60種不同製程步驟。在深入設計和興建新的晶圓廠前，晶片製造商需要做許多面向的考量，因為設備的選擇會影響晶圓廠的面積、成本、生產效率和最終產品成本。一座300mm晶圓廠的成本大約20億美元，其中製程設備的採購和安裝架設（facilitization）就佔了16億美元；對於一座每月投產30,000片300mm晶圓的晶圓廠，它的每年生產成本約6.78億美元，不包括製程設備或其它設施的運轉成本。本文將說明300mm晶圓廠模型的建立和模擬，並利用邏輯元件處理流程來探討如何讓製程設備發揮最大成本效益和生產效率。製造模型的建立方法應用材料和IDC目前正共同合作以發展300mm晶圓廠的製造模型為目標，這項計劃將運用雙方的知識和經驗來描述晶圓廠營運成本的假設。首先是定義製造模型的假設和需求、製造流程和目標晶圓數量，此計劃定義的300mm晶圓廠在2002-2003年間的每月最大產量為30,000片晶圓，所模擬的製程為0.15微米、7層金屬雙崁刻銅邏輯元件，採用典型的晶圓廠準則，包括產出、週期時間和利用率目標。第一階段是關於各種運轉策略，包括錯誤容忍率和整體平衡（line balance），另外還有在相同機台上面執行多項步驟的方式，它會決定機台利用率和設備調度的優劣取捨。圖1是為晶圓廠建立模擬模型的主要步驟。圖1：晶圓廠成本分析的模型建立方法我們根據以下假設來設定工廠模型和設施規劃的邊界條件：1. 典型量產製造設施的錯誤容忍率和整體平衡策略。2. 自動化材料處理系統（AMHS），模型發展已包含晶圓儲存櫃的傳送和使用。3. 配合成熟製程常見處理的量測步驟。4. 符合FOUP的晶圓盒和無塵室設計，每個晶圓盒可容納25片晶圓。其它關於晶圓廠的一般性假設為：v 穩定生產時的平均晶舟週期時間應在18至24天之間，也就是4至6倍的理論週期時間v 製程機台的平均利用率應在40%左右，總利用率約60%v 瓶頸機台應是微影設備，以及其它利用率超過80%之製程機台晶圓廠的WIP水準約在800至1,500個晶舟之間。使用靜態製造模型的設備數量完成這些定義後，即可利用靜態產能製造模型來執行第一回的設備數量調整，可供選擇的兩組設備都能滿足目標製造要求。確定產品製造流程後，就可以開始評估設備種類和數量，然後選擇一組合適的機台。機台選擇的判斷準則需要很高階的技術能力。根據所指定的每月30,000片晶圓產能，我們利用靜態產能模型來協助決定最初所須的機台數量，所參考的標準包括每套機台的處理容量、製程時間需求、維修時程規劃和其它輸入資訊。離散事件模擬和機台數量調整在半導體產業，離散事件（動態）模擬模型常被用來分析晶圓廠內以時間為基準的作業行動，例如產品運送和製造程序時間。週期時間和利用目標提供一個架構，可用來決定是否需要增加或減少機台；從靜態產能模型的結果出發，先執行動態模擬至穩定狀態，然後根據報告結果來調整機台數量。應用材料的Turbo Modules離散事件模擬工具被用來精確決定機台需求，並驗證目標週期時間、WIP和機台利用率。成本製造模型假設完成製造流程定義、設備和相關生產力資料蒐集和確認、設備選擇、晶圓廠規模等各種資訊的驗證和修訂後，即可將這些資料輸入成本製造模型，並由專家詳細檢查這些成本製造模型資料。以下是成本製造模型的各種輸入資料：1) 製造流程和設備選擇2) 設備成本，不是指平均銷售價格，而是市價3) 材料成本，包括製程耗材在內，例如光阻、研磨液、製程氣體和光罩4) 300mm晶圓成本，每片晶圓500美元5) 保守的全新晶圓廠設施成本估計：廠房面積11,500平方公尺，基本興建費用2.2億美元，特殊設備和系統另外需要9,900萬美元6) 晶圓廠商每週運轉時間168小時，採四班制7) 設備可用率（equipment availability）以60%為目標各種技術的成本分配此處將說明各種成本分配，包括元件結構、設備資金成本和製程技術成本的分配。根據元件結構的處理成本 - 最初的成本分配顯示，金屬化所佔比例最高，達到總成本的43%，其次是佔31%的前段結構，300mm晶圓的成本比重也很大，佔25%（圖2）。圖2：各種元件結構的處理成本設備資金和設施建置成本（Facilitization Cost） - 微影所佔的比例最高，因為它的平均成本約是其它300mm製程機台的三倍（圖3）。圖3：按照製程分類的設備資金成本分配（包括金屬化），其中微影的比重最大各種技術的製程成本分配 - 除了最初材料成本（$500）之外，微影佔總晶圓製造成本的比例最大（$522或26%）。微影程序是由24個光罩步驟組成，包括光阻處理和光罩成本，微影步驟的材料成本約是各製程步驟平均材料成本的三倍（表1）。表1：各種技術的處理成本分配由於雙嵌刻步驟在後段製程出現七次，因此導線金屬化佔製造成本的比重最大（$850或43%）。金屬化包括微影、DCVD、蝕刻、PVD、ECP、CMP和量測步驟，七層金屬的處理步驟就超過製程步驟總數的50%（表2）。表2：七層導線的金屬化步驟佔處理步驟總數的一半以上兩組設備選擇的成本比較為提供不同的比較基礎和結果，因此發展了兩組模型基於不同設備組合，以下是兩種情形的依循準則。第一種情形：l 儘可能使用應用材料的機台l RTP系統取代擴散爐管（diffusion furnaces）l 把電鍍和回火程序整合在一起l 離子植入只使用兩套系統：一套高能量中等電流系統和一套高電流、低能量系統對於某些製程步驟，第一種情形會細分成多組整合設備，包括：l 超淺層接面（高電流植入和RTP回火）l 介質（SiO2）沉積蝕刻，用來製造銅導線l 阻障層-種晶層沉積銅電鍍CMP，用來製造銅導線第二種情形的依循準則如下： l IDC使用基本設備組合，包括下列l 傳統的三系統植入設備l 若有可能，即應使用批次作業的擴散爐管l 另一種（非應用材料的）雙嵌刻順序模擬結果為提供一致的計算基準，兩個團隊都使用Factory Commander成本模型，它可對整座工廠執行高階成本分析，以決定特定晶圓廠的估計晶圓成本。設備資金成本差異圖4兩種情形的設備資金成本差異，並以第一種情形為比較基準，其中製程設備和設施安裝的最大資金成本差異出現在乾式蝕刻清洗製程；從圖中可看出，情形1可節省6,500萬美元，因為它的蝕刻機台提供較高產出和較低設備成本。圖4：兩種情形的設備資金成本差異。第一種情形的乾式蝕刻和清洗成本遠低於第二種情形第二個主要差異出現在RTP擴散製程，第一種情形能節省1,000萬美元是因為銅金屬化製程的回火處理已整合至電鍍系統，第二種情形則是在另一個擴散爐管中執行回火步驟；雖然第一種情形的化學電鍍系統總資金成本比第二種情形的電鍍系統多120萬美元，但它的ECP系統已整合回火處理，第二種情形卻需要單獨的回火爐管以及相關維修和設施成本。微影：第一種情形的前段與後段微影機台是由一個實體阻障層所隔開，保護前段機台避免銅污染，閘極則使用專屬微影機台，這兩項因素使它需要一套額外機台，也造成790萬美元的成本差異。CMP：第一種情形的產出較低，因此需要兩套額外的機台，這使得七層金屬處理的資金成本多出950萬美元。雖然如此，此研究所使用的CMP產出和成本都是當時的雙嵌刻製程暫估值，此製程在研究結束後又已變得更成熟，因此目前的資金成本已大幅改善。各種技術的製程成本差異圖5是不同製程技術下，第一和第二種情形的每顆晶圓處理成本差異，其中最大差異來自乾式蝕刻和清洗處理；在第一種情形中，乾式蝕刻和清洗設備的每顆晶圓平均成本比第二種情形低20%。其次則是介電質CVD處理，雖然第二種情形的設備成本比第一種低8%，但第一種情形的機台卻提供30%更高產出，故仍佔有成本優勢。圖5：第一和第二種情形在各個技術下的處理成本差異各類晶圓的單位成本差異第一種情形需要277套機台，第二種則需要299機台，因此前者的運轉與維護、設備折舊和人力成本都較低（表3）。l 系統總需求：第一種情形為277套機台，第二種為299套l 每顆晶圓成本：第一種情形為1,959美元，第二種為2,054美元，每顆晶圓相差95美元；經過一年的生產後（360,000顆晶圓），總差異將累積至大約3,400萬美元。l 資金投入：第一種情形為1,630,901美元，第二種情形為1,707,600美元l 第一種情形的所須機台較少，因此運轉與維護、設備折舊和人力成本都較低表3：按設備分類的每顆晶圓成本差異，第一種情形的資金成本較低7,700萬美元晶圓廠產能擴大的成本比較利用模型研究所得資料，兩個團隊還進一步探討在不做額外設備投資的前題下，把晶圓廠產能從30K WSPM 150nm七層銅邏輯元件擴大至40K WSPM的影響；模擬結果顯示每顆晶圓的成本會降低，在第一種情形為285美元（1,959至1,674美元），第二種情形則為282美元（2054至1772）。週期時間對於製造也很重要，圖6是兩種情形在30K WSPM基準產能下的比較，第一種情形的週期時間為17.5天，比第二種情形的19.5天還快2天。等到將產能增至30K WSPM後，第一種情形的週期時間約為19.9天，比原先增加14%；第二種情形則增加至22.8天，增幅約為17%。圖6：設備不變時，使用30k WSPM和40k WSPM生產模型的生產週期時間比較結論此研究的主要目標是由應用材料和IDC使用一種共同模型建立技術，模擬在兩種不同情形和各個製程技術條件下，晶圓廠設備資金成本和生產製造成本。第二個目標是瞭解在不增加或只增加很少機台的情形下，把產能從30k WSPM擴大至40k WSPM的經濟效益。研究結果顯示，隨著技術的不同，這兩種情形會存在很大的資金成本差異，從乾式蝕刻機台的6,500萬美元最大差異，一直到電鍍機台的約略相等；整體而言，第一種情形所須的資金投入為1,631M美元，第二種為1,708M美元。在各種技術的每顆晶圓處理成本方面，最大差異也是來自乾式蝕刻機台，第一種情