IC工艺技术11-IC制造中的质量控制幻灯片.ppt

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)PCMinWaferstartY2(PCMYield)PCMout/PCMinY3(VisualYield)Stockin/PCMout,成品率,公司品牌产品Y=Y1*Y2*Y3Y1(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-ADA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)/AD2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)/AD2e-AD/2,缺陷尺寸和致命性,2um,SiO2,Sub,poly,500A,100A,0.2um,0.3um,Metal,缺陷的尺寸分布和致命性,低高,0.5,1.0,1.5,缺陷大小(uA),1.0,0.8,0.6,0.4,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)dx,0.2,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-ADii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）,（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,1,1/e,time,清洗条件和寿命,spv,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,x,x,x,x,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,VFB,VFB,QSS=CoVFBQM=CoVFB,P-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),刻蚀试验的试验参数,L8OA试验刻蚀结果,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,（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,TL,TU,-3,3,-,X,99.73%,X控制图,UCL,LCL,X,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+3LCL=T-3T: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)/6Cpk(TU-TL)/61-KKX-(TU+TL)/2/(TU-TL)/2,X,TU,TL,0,（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117524hrT1,1175C,24hrT1,Boatin后温度变化,进舟后温度稳定需15分钟,Zone1,ZONE!,Zone1,扩散炉升温特性,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,AverageE1:224.01E2:223.86E3:223.43/,E1,E2,E3,BOE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,基区刻蚀后CD控制图（例）,外延厚度控制图（例）,（七）PCM在质量控制中的作用,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)FR,Pinch电阻,Pbase,衬底,NEpi,测埋层电阻和深磷电阻,V1,V2,I1,I2,RDN,RBU,V1=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,注入电阻倾向图,（八）低合格率圆片原因分析,低合格率圆片原因分析,1圆片表面检查(VisualInspection)2失效分布定位图检查(Bin-mappingReview)3PCM参数检查(PCMdataCheck)4批历史记录检查(Lot-historyCheck)5共性检查(CommonalityCheck)6相关性分析(CorrelationAnalysis)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.PCMNPN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