集成電路制造中制程能力的提升

向 璐

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第58研究所，江蘇 無(wú)錫 214035）

1 引言

在集成電路制造過(guò)程中會(huì)收集關(guān)鍵制程步驟的量測(cè)數(shù)據(jù)，這些量測(cè)數(shù)據(jù)包括：

（1）氧化、淀積及腐蝕后的膜厚量測(cè)；

（2）AA/POLY/WX/AlX等光刻和腐蝕后的條寬寬度；

（3）光刻的套刻；

（4）關(guān)鍵層次上的顆粒及圖形缺損多余情況的缺陷檢測(cè)；

（5）流片完成后的電性參數(shù)量測(cè)。

這些制程量測(cè)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性體現(xiàn)了工廠對(duì)制程的控制能力。

2 制程能力評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)

2.1 制程能力

制程能力由統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制SPC中的CPK來(lái)體現(xiàn)，一般都要求每一個(gè)量測(cè)項(xiàng)的CPK>1.33。1.67>CPK>1.33 意味著制程能力良好，狀態(tài)穩(wěn)定。CPK>1.67意味著制程能力優(yōu)，應(yīng)當(dāng)保持。CPK指標(biāo)的不斷提升意味著制造成本的增加，所以在質(zhì)量和成本之間需要找到一個(gè)平衡點(diǎn)。大部分的工廠都選擇CPK>1.33，并要求所有項(xiàng)目CPK都能大于1.33。

2.2 CPK的計(jì)算方法

CPK的計(jì)算方法主要有以下三個(gè)公式：

3 制程能力的監(jiān)控方法

集成電路制造是每天24 h都在生產(chǎn)的，制程的量測(cè)數(shù)據(jù)不斷錄入系統(tǒng)。所以要求：

（1）設(shè)定合理有效的控制規(guī)范；

（2）密切關(guān)注新錄入數(shù)據(jù)是否異常；

（3）對(duì)于多層Al工藝，在Al1完成后增加電性參數(shù)量測(cè)，以便及早發(fā)現(xiàn)電性參數(shù)的問(wèn)題。

3.1 設(shè)立有效的控制規(guī)范

在原有規(guī)范上下限的基礎(chǔ)上，按照3σ原理設(shè)立控制上下限，超出控制線的異常一定要找到糾正預(yù)防措施。

3σ介紹：連續(xù)的生產(chǎn)過(guò)程中，質(zhì)量特性值最常見(jiàn)的典型分布為正態(tài)分布。

圖1 正態(tài)分布圖

3.2 定期察看SPC chart

定期察看SPC chart，對(duì)于非正常的波動(dòng)都要進(jìn)行分析并找到根本原因，給出有效的糾正預(yù)防措施。必要時(shí)要采取緊急措施停線或有條件放片，避免異常面的擴(kuò)大。

3.3 電性參數(shù)量測(cè)

集成電路的器件在介質(zhì)淀積前就完成了，介質(zhì)淀積到制程結(jié)束是通過(guò)鋁連線將器件相互連接，滿足電路的功能要求。隨著管芯面積的不斷縮小，鋁的連線層越來(lái)越多。要盡早發(fā)現(xiàn)器件的問(wèn)題，可以在第一層鋁完成后量測(cè)器件的電性參數(shù)，并建立SPC監(jiān)控系統(tǒng)。

4 制程能力提升的案例分析

制程能力CPK低的原因有：異常波動(dòng)、規(guī)范設(shè)置不佳、長(zhǎng)期波動(dòng)較大等。

4.1 異常波動(dòng)

在SPC chart上發(fā)現(xiàn)連續(xù)3個(gè)批次共75片晶圓的關(guān)鍵層腐蝕后條寬超規(guī)范下限。察看了光刻的條寬，值偏小但仍在控制線內(nèi)。

圖2 腐蝕條寬控制圖

圖3 光刻條寬控制圖

從控制圖看出，正常片的BIAS=0.204 5-0.2=0.004 5 μm，異常片的BIAS=0.176-0.19=-0.014 μm，BIAS變化很大?？紤]是否光刻膠的形貌出現(xiàn)問(wèn)題，調(diào)出CD SEM量測(cè)機(jī)臺(tái)保存的量測(cè)圖片，發(fā)現(xiàn)光刻的條寬只有0.176 μm，嚴(yán)重超出規(guī)范且與錄入系統(tǒng)的條寬數(shù)據(jù)有很大的出入。

調(diào)查中發(fā)現(xiàn)是作業(yè)員擅自將固定位置的量測(cè)點(diǎn)移動(dòng)到其他位置，并錄入較大的量測(cè)數(shù)據(jù)。這3批圓片本來(lái)可以在光刻返工后正常出貨，但因作業(yè)員的自作主張換點(diǎn)量測(cè)導(dǎo)致了報(bào)廢。后續(xù)制造部門(mén)給出了有效的糾正預(yù)防措施：宣導(dǎo)了操作紀(jì)律并加強(qiáng)培訓(xùn)，避免了類似問(wèn)題的再次發(fā)生。CPK后續(xù)也恢復(fù)到了1.33以上。

4.2 規(guī)范設(shè)置不佳

數(shù)據(jù)長(zhǎng)期偏離規(guī)范中心，導(dǎo)致CPK只有1.24，未達(dá)到CPK>1.33的要求。

對(duì)于長(zhǎng)期生產(chǎn)的產(chǎn)品，客戶一般不愿意更改制程條件。所以對(duì)于數(shù)據(jù)偏離規(guī)范中心的情況，一般是驗(yàn)證數(shù)據(jù)對(duì)良率的窗口。

圖4 數(shù)據(jù)長(zhǎng)期偏離規(guī)范中心控制圖

圖5 數(shù)據(jù)對(duì)良率的窗口

窗口顯示數(shù)據(jù)在250~350區(qū)間良率都保持在95%，即可以更改數(shù)據(jù)規(guī)范從255~315到270~330。新規(guī)范下數(shù)據(jù)的CPK是2.5，滿足CPK>1.33的要求。

圖6 修正規(guī)范后的數(shù)據(jù)控制圖

4.3 數(shù)據(jù)長(zhǎng)期波動(dòng)大

舉例參數(shù)因數(shù)據(jù)波動(dòng)大，CPK只有1.15。

圖7 數(shù)據(jù)波動(dòng)大導(dǎo)致CPK未達(dá)到1.33的控制圖

從參數(shù)的特性分析，影響的工藝制程有四個(gè)步驟。逐一分析該參數(shù)在四個(gè)步驟的機(jī)臺(tái)差異。

從圖8步驟一的參數(shù)機(jī)臺(tái)差異分析圖看出機(jī)臺(tái)1、2間差異為7/314=2.2%。

從圖9步驟二的參數(shù)機(jī)臺(tái)差異分析圖看出機(jī)臺(tái)3、4間差異為14/314=4.5%。

圖8 參數(shù)在步驟一的機(jī)臺(tái)差異控制圖

圖9 參數(shù)在步驟二的機(jī)臺(tái)差異控制圖

從圖10步驟三的參數(shù)機(jī)臺(tái)差異分析圖看出機(jī)臺(tái)5、6間差異為0.4/314=0.1%。

圖10 參數(shù)在步驟三的機(jī)臺(tái)差異控制圖

從圖11步驟四的參數(shù)機(jī)臺(tái)差異分析圖看出機(jī)臺(tái)7、8間差異為5/314=1.5%。

一般要求機(jī)臺(tái)間的差異要低于3%, 步驟二的機(jī)臺(tái)差異比3%大，需要匹配機(jī)臺(tái)。機(jī)臺(tái)匹配后的差異是2/314=0.6%，匹配后的參數(shù)CPK達(dá)到1.74（圖12），滿足要求。機(jī)臺(tái)匹配完成以后，還需要確認(rèn)之前是什么原因?qū)е聶C(jī)臺(tái)不匹配，同時(shí)完善機(jī)臺(tái)的相關(guān)監(jiān)控文件。

圖11 參數(shù)在步驟四的機(jī)臺(tái)差異控制圖

圖12 機(jī)臺(tái)匹配后參數(shù)在步驟二的機(jī)臺(tái)差異控制圖

5 結(jié)束語(yǔ)

在集成電路制造中，監(jiān)控生產(chǎn)過(guò)程的關(guān)鍵制程參數(shù)，通過(guò)統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制技術(shù)及時(shí)發(fā)現(xiàn)、解決問(wèn)題，并給出糾正預(yù)防措施。確保制程處于受控狀態(tài)，減少報(bào)廢，確保產(chǎn)品品質(zhì)。

[1] 官生平. SPC統(tǒng)計(jì)制程管制[M]. 廈門(mén)：廈門(mén)大學(xué)出版社.