《半导体制造与过程控制基础》课件-半导体制造与过程控制基础

微专业---半导体制造技术课程：半导体制造与过程控制基础2本PPT仅为学校课堂教学或者科学研究目的，供学校内部教学或科研人员使用，但不得以营利为目的使用，不得出版、出售、赠与或其他方式向公众提供本PPT的原件或者复制件半导体制造与过程控制

SEMICONDUCTORMANUFACTURINGANDPROCESSCONTROL参考教材YEFIMFASSER:AMD系统与统计工程部主任DONALDBRETTNER：AMD副总裁4GARYMAY:乔治亚理工大学电子与计算工程学院教授COSTASSPANOS：加州大学伯克利分校电子工程与计算机科学系教授，工程学院主管研究的副主任主要内容第1章

半导体制造简介

Introduction第2章

概率与统计基础StatisticalFundamentals第3章

成品率/产出建模YieldModeling第4章

统计过程控制

StatisticalProcessControl第5章

统计试验设计方法StatisticalExperimentalDesign第6章

半导体制造过程建模ProcessModelling第7章

半导体制造过程智能控制IntelligentControl5

第一章半导体制造简介本章的主要内容（1）制造与先进制造系统（2）制造的目标：质量、成本、变化性、产出率、可靠性等（3）半导体制造的发展历史（4）现代半导体制造6制造Manufacturing:把原材料转化为最终产品的过程输入：半导体材料、掺杂物(dopants)、金属和绝缘材料(insulators)等输出：集成电路(ICs)、IC封装组件、印刷电路板(PCB)以及最终生产的各种商业电子系统，比如计算机、移动电话、数字相机等制造过程：包括数百个制造工艺和过程，比如晶体生长(crystalgrowth)、氧化(oxidation)、暴光(photolithography)、刻蚀(etching)、扩散(diffusion)、离子注入(ionimplantation)、平坦化(planarization)与沉积(deposition)等过程

半导体制造的地位与重要性7制造业是国民经济的支柱产业实体经济是中国经济的支柱，2021年中国经济的占比中，工业超过了三分之一的贡献，而美国是十分之一制造业是中国迈向现代化的必经之路。18世纪英国率先完成工业革命，成为了日不落帝国，美国、德国、日本、韩国也是依靠工业现代化实现了富强制造弱国->制造大国->制造强国20大报告：建设现代化产业体系，坚持把发展经济的着力点放在实体经济上，推进新型工业化，加快建设制造强国、质量强国等，不断强调发展制造业半导体制造是皇冠上的明珠半导体器件是电子工业的基础，实际上也是整个工业的基础，占比最大、增速最大一个国家或企业技术水平的体现：技术最尖端、工艺最复杂，涉及国家安全中国的地位截至2022年10月，标准普尔全球市值排名前100的半导体企业，中国大陆42家、美国28家、中国台湾10家、日本7家、韩国3家。中国数量排名世界第一2020年中国有23100家半导体企业成立，2021年暴增到47400家半导体厂商注册华为、中芯等优秀企业中国每年进口$5000亿芯片，出口$2000亿制造发展史上的里程碑8Taylor把科学管理原理引入大规模生产制造把工作分解成具体的任务标准化生产和组装可互换零件Interchangeableparts在组装时减少匹配的难度节约大量时间，提高生产率标准、大规模生成、社会分工←统计质量控制的开始

制造业发展历史9四个发展阶段手工单件生产、大批量重复生产、自动化生产、集成/现代集成制造（CIMS）、智能制造（工业4.0）第一阶段：手工单件生产19世纪末~20世纪初法国巴黎P&L汽车制造公司的汽车制造过程（1890年）单件制造方式，年产量800台生产流程：由许多独立的工匠手工完成没有一台车完全一样，没有零部件的互换性第二阶段：大批量重复生产（工业1.0和工业2.0）20世纪初，Ford引入装配线（1908年）引入互换性和标准化概念生产效率提高，生产成本下降，FordT型车生产量达到200万辆时，价格降低了2/3产品的维护费用下降，维护方法简化

第三阶段:自动化生产1020世纪50~70年代，PLC和PC，工业3.0经典的和现代控制理论的发展，车间控制技术制造设备自动化水平提高20世纪50年代NC技术发展，使刚性生产线向柔性发展1952年第一台NC机床（数控铣床）在美国诞生计算机辅助设计技术应用60年代为生产飞机而产生CAD技术，70年代进入实用阶段60年代末:CAD/CAE/CAPP/CAM/CAQ新的生产组织模式和理念MIS/MRP/MRPII/FMS技术应用精益生产(LeanProduction)：StockOrder日本丰田即时生产模式（JustinTime,JIT）:多品种、

小批量、零缺陷、零库存

第四阶段:计算机集成制造(CIMS)11计算机集成制造(ComputerIntegratedManufacturing)20世纪80年，针对的问题自动化孤岛：片面提高自动化水平并不能带来企业效益的全面提高信息孤岛：孤立的信息单元作用有限

1973年美国哈林顿Horryton博士提出了CIMS概念贯穿于产品的整个生命周期以信息技术为基础，系统集成与优化为手段以提高企业的市场竞争力为目标，致力于全面提高企业的

Time、Quality、Cost、Service、Environment的水平（TQCSE）在各国实施的情况1980年美国，1985年德国，1991年日本，1993年美国新版1986年3月中国提出863计划，CIMS是863计划中的一个重要的主题进一步发展为智能制造（工业4.0）技术人/组织管理CIMS三要素的集成质量Quality12核心竞争力：TQCSE=T(ime)+Q(uality)+C(ost)+S(ervice)+E(nviornmental)半导体制造的目标成本：原材料和人工等直接成本占10-15%，设施、维护等间接成本大于70%：4美元/cm2产出率/成品率质量（规格/标准、变化性、可靠性）；质量是任何制造过程中最重要的因素之一质量的定义传统定义：产品必须满足使用者的要求，即适用性（Fitnessforuse）设计质量：设计阶段，比如材料、组件规格、尺寸、重量等制造质量：一致性质量，即在制造阶段产品符合设计的程度ISO的定义：反映产品或服务满足明确和隐含需要的特性总和，其中：明确的需要：在标准、技术要求和其他文件中明确做出规定的需要隐含的需要：顾客和社会对产品的期望或者公认的不言而喻的无需明确规定的需要质量Quality产品的可变性/变化/波动(Variability,Variation)产品固有的，在半导体工业尤其重要；我们希望一致性是可以重复的产品质量与质量参数的变化成反比，与成本成正比质量改进就是减少产品或过程的变化性产品的一致性(注意与设计的一致性的区别)举例福特和马自达的汽车变速箱13传统的质量观满足规格（Specifications）在规格之内的一定好吗？（AandB）仪器精度或检测误差田口玄一（GenichiTaguchi）

的质量观知名的统计学家与工程管理专家，质量工程的奠基者1957年出版《试验设计》一书1970年发展质量损失函数的概念14田口方法不仅仅是一种方法，而是一种理念，一种文化：（1）精益求精，（2）仅仅确保产品符合规格或缩小规格范围，是无法实现高质量低成本的田口损失函数（LoseFunction）定义任何时候只要一个产品的某个特定测量值偏离目标值，都会对系统造成损失，这意味着收益的损失最小损失出现在标称值上，从任意方向远离标称值会使损失持续增加举例

灯泡与电池统计过程控制就是要解决这一问题15

6σ质量理论（6-Sigma）零缺陷的概念（ZeroDefect）PhilipCrosby说：“零缺陷不是一种激励方法，它是一个性能标准。它不只针对生产者，它针对的是每一个人”1987年1月Motorola发起了“6σ质量”计划五年内整个公司达到接近零缺陷的质量标准即缺陷为3.4ppm(partspermillion)是其现有水平的100倍如何实现?SPC，Motorola最终做到了参考书六西格玛服务设计——走向卓越之路线图（SixSigma,ARoadmapforExcellence)16σppmσppm1σ690,0004σ6,2102σ308,0005σ2303σ66,8006σ3.46σ质量理论3σ与6σ过程的比较第一种情况：为达到6

质量而将过程变化范围缩小一半第二种情况：过程平均值偏移1.5

研究表明，过程偏移1.5

足以代表最大偏移6σ与规格区间的关系通常我们在规格范围内实施6σ17移动前是1350ppm质量控制理论的发展质量检验阶段（20世纪20–30年代）生产中增加独立的检验环节；事后检验、剔除、重做，不能预防统计质量管理阶段（20世纪40–50年代）基于预防缺陷概念：休哈特（Shewhart）工序质量控制图：质量是制造出来的抽样检验法（Acceptancesampling）全面质量管理（TQM：TotalQualityManagement）1961年，朱兰（Julan）：质量控制－>产品寿命全周期、全体员工设计过程、制造过程、辅助过程、使用过程质量管理操作者自己衡量成绩来促进和树立他对产品质量的责任感由事后检验→事前预防产品设计阶段质量控制70年代，田口玄一质量理论：质量首先是设计出来的，其次是制造出来的信息集成环境下的质量控制系统80年代，CAQ+QIS=CIQS18半导体制造过程流程和主要测量点严格的检测是保证质量的必要条件在复杂的制造过程的关键环节加入各种测量测量的是各种特征以物理、化学参数、电器参数的形式呈现，比如薄膜厚度、一致性和特种尺寸测试仪器仪表，有复杂的原理，在线/离线19CMOS流程及其测量点晶圆状态的测量（WAFERSTATEMEASUREMENTS）晶圆的状态特征包括与制造过程有关的物理参数的测量所有这些物理特征很可能与器件和电路的电气性能有关每个工艺的涉及的重要参数20序号工艺参数1LithographyLinewidth,

Overlay,

Printbias,Resistprofiles2EtchEtchrate,

Selectivity,Uniformity,Anisotropy/各向同性,Etchbias3DepositionorEpitaxialGrowthSheetresistance,

Filmthickness,Surfaceconcentration,Dielectricconstant/电介质常数,Refractiveindex/折射率4DiffusionorImplantationSheetresistance,Junctiondepth,Surfaceconcentration晶圆状态的测量21测量方面项目/测量方法说明空白薄膜厚度/生成速度干涉测量法光的反射、折射强度、干涉引起强度的变化椭圆偏振法光在反射和穿过介质时发生偏振石英晶体监控器利用频率共振来检测金属薄膜的沉积速度四点探针通过测试扩散层的电阻率和薄膜电阻得到厚度掩膜薄膜轮廓曲线测量法测量薄膜厚度原子力显微镜利用频率共振技术测量表面特性和轮廓扫描电子显微镜利用电子的波长是光学系统波长的1/4测量最小线宽（linewidth）散射测量法分析散射光的强度，测量表面粗造度、缺陷、颗粒密度、薄膜厚度电气线宽测量通过测量薄膜电阻，测量掺杂和薄膜厚度、计算平均线宽粒子/缺陷检测清洁室空气检测高效空气过滤器、光学颗粒计数器产品检测在