300mm晶圆厂架构的比较分析

300mm晶圆厂架构的比较分析：制程设备对于晶圆成本和动态效能的影响By Robert Bachrach, Mark Pool, Karen Genovese*, JC Moran, Applied Materials, Inc.;Michael D. O'Halloran, Thomas J. Connolly, IDC介绍半导体晶圆厂是一个非常复杂的制造环境，其包含250至300种制程机台，需执行50至60种不同制程步骤。

在深入设计和兴建新的晶圆厂前，芯片制造商需要做许多面向的考量，因为设备的选择会影响晶圆厂的面积、成本、生产效率和最终产品成本。

一座300mm晶圆厂的成本大约20亿美元，其中制程设备的采购和安装架设（facilitization）就占了16亿美元；对于一座每月投产30,000片300mm晶圆的晶圆厂，它的每年生产成本约6.78亿美元，不包括制程设备或其它设施的运转成本。

本文将说明300mm晶圆厂模型的建立和仿真，并利用逻辑组件处理流程来探讨如何让制程设备发挥最大成本效益和生产效率。

制造模型的建立方法应用材料和IDC目前正共同合作以发展300mm晶圆厂的制造模型为目标，这项计划将运用双方的知识和经验来描述晶圆厂营运成本的假设。

首先是定义制造模型的假设和需求、制造流程和目标晶圆数量，此计划定义的300mm晶圆厂在2002-2003年间的每月最大产量为30,000片晶圆，所仿真的制程为0.15微米、7层金属双崁刻铜逻辑组件，采用典型的晶圆厂准则，包括产出、周期时间和利用率目标。

第一阶段是关于各种运转策略，包括错误容忍率和整体平衡（line balance），另外还有在相同机台上面执行多项步骤的方式，它会决定机台利用率和设备调度的优劣取舍。

图1是为晶圆厂建立仿真模型的主要步骤。

图1：晶圆厂成本分析的模型建立方法我们根据以下假设来设定工厂模型和设施规划的边界条件：1. 典型量产制造设施的错误容忍率和整体平衡策略。

2. 自动化材料处理系统（AMHS），模型发展已包含晶圆储存柜的传送和使用。

3. 配合成熟制程常见处理的量测步骤。

4. 符合FOUP的晶圆盒和无尘室设计，每个晶圆盒可容纳25片晶圆。

其它关于晶圆厂的一般性假设为：稳定生产时的平均晶舟周期时间应在18至24天之间，也就是4至6倍的理论周期时间制程机台的平均利用率应在40%左右，总利用率约60%瓶颈机台应是微影设备，以及其它利用率超过80%之制程机台晶圆厂的WIP水准约在800至1,500个晶舟之间。

使用静态制造模型的设备数量完成这些定义后，即可利用静态产能制造模型来执行第一回的设备数量调整，可供选择的两组设备都能满足目标制造要求。

确定产品制造流程后，就可以开始评估设备种类和数量，然后选择一组合适的机台。

机台选择的判断准则需要很高阶的技术能力。

根据所指定的每月30,000片晶圆产能，我们利用静态产能模型来协助决定最初所须的机台数量，所参考的标准包括每套机台的处理容量、制程时间需求、维修时程规划和其它输入信息。

离散事件仿真和机台数量调整在半导体产业，离散事件（动态）仿真模型常被用来分析晶圆厂内以时间为基准的作业行动，例如产品运送和制造程序时间。

周期时间和利用目标提供一个架构，可用来决定是否需要增加或减少机台；从静态产能模型的结果出发，先执行动态仿真至稳定状态，然后根据报告结果来调整机台数量。

应用材料的Turbo Modules离散事件仿真工具被用来精确决定机台需求，并验证目标周期时间、WIP和机台利用率。

成本制造模型假设完成制造流程定义、设备和相关生产力资料搜集和确认、设备选择、晶圆厂规模等各种信息的验证和修订后，即可将这些资料输入成本制造模型，并由专家详细检查这些成本制造模型资料。

以下是成本制造模型的各种输入资料：1) 制造流程和设备选择2) 设备成本，不是指平均销售价格，而是市价3) 材料成本，包括制程耗材在内，例如光阻、研磨液、制程气体和光罩4) 300mm晶圆成本，每片晶圆500美元5) 保守的全新晶圆厂设施成本估计：厂房面积11,500平方公尺，基本兴建费用2.2亿美元，特殊设备和系统另外需要9,900万美元6) 晶圆厂商每周运转时间168小时，采四班制7) 设备可用率（equipment availability）以60%为目标各种技术的成本分配此处将说明各种成本分配，包括组件结构、设备资金成本和制程技术成本的分配。

根据组件结构的处理成本- 最初的成本分配显示，金属化所占比例最高，达到总成本的43%，其次是占31%的前段结构，300mm晶圆的成本比重也很大，占25%（图2）。

图2：各种组件结构的处理成本设备资金和设施建置成本（Facilitization Cost）- 微影所占的比例最高，因为它的平均成本约是其它300mm制程机台的三倍（图3）。

图3：按照制程分类的设备资金成本分配（包括金属化），其中微影的比重最大各种技术的制程成本分配- 除了最初材料成本（$500）之外，微影占总晶圆制造成本的比例最大（$522或26%）。

微影程序是由24个光罩步骤组成，包括光阻处理和光罩成本，微影步骤的材料成本约是各制程步骤平均材料成本的三倍（表1）。

表1：各种技术的处理成本分配由于双嵌刻步骤在后段制程出现七次，因此导线金属化占制造成本的比重最大（$850或43%）。

金属化包括微影、DCVD、蚀刻、PVD、ECP、CMP和量测步骤，七层金属的处理步骤就超过制程步骤总数的50%（表2）。

表2：七层导线的金属化步骤占处理步骤总数的一半以上两组设备选择的成本比较为提供不同的比较基础和结果，因此发展了两组模型基于不同设备组合，以下是两种情形的依循准则。

第一种情形：尽可能使用应用材料的机台●RTP系统取代扩散炉管（diffusion furnaces）●把电镀和回火程序整合在一起●离子植入只使用两套系统：一套高能量／中等电流系统和一套高电流、低能量系统对于某些制程步骤，第一种情形会细分成多组整合设备，包括：●超浅层接面（高电流植入和RTP回火）●介质（SiO2）沉积／蚀刻，用来制造铜导线●阻障层-种晶层沉积／铜电镀／CMP，用来制造铜导线第二种情形的依循准则如下：●IDC使用基本设备组合，包括下列●传统的三系统植入设备●若有可能，即应使用批次作业的扩散炉管●另一种（非应用材料的）双嵌刻顺序仿真结果为提供一致的计算基准，两个团队都使用Factory Commander成本模型，它可对整座工厂执行高阶成本分析，以决定特定晶圆厂的估计晶圆成本。

设备资金成本差异图4两种情形的设备资金成本差异，并以第一种情形为比较基准，其中制程设备和设施安装的最大资金成本差异出现在干式蚀刻／清洗制程；从图中可看出，情形1可节省6,500万美元，因为它的蚀刻机台提供较高产出和较低设备成本。

图4：两种情形的设备资金成本差异。

第一种情形的干式蚀刻和清洗成本远低于第二种情形第二个主要差异出现在RTP／扩散制程，第一种情形能节省1,000万美元是因为铜金属化制程的回火处理已整合至电镀系统，第二种情形则是在另一个扩散炉管中执行回火步骤；虽然第一种情形的化学电镀系统总资金成本比第二种情形的电镀系统多120万美元，但它的ECP系统已整合回火处理，第二种情形却需要单独的回火炉管以及相关维修和设施成本。

微影：第一种情形的前段与后段微影机台是由一个实体阻障层所隔开，保护前段机台避免铜污染，闸极则使用专属微影机台，这两项因素使它需要一套额外机台，也造成790万美元的成本差异。

CMP：第一种情形的产出较低，因此需要两套额外的机台，这使得七层金属处理的资金成本多出950万美元。

虽然如此，此研究所使用的CMP产出和成本都是当时的双嵌刻制程暂估值，此制程在研究结束后又已变得更成熟，因此目前的资金成本已大幅改善。

各种技术的制程成本差异图5是不同制程技术下，第一和第二种情形的每颗晶圆处理成本差异，其中最大差异来自干式蚀刻和清洗处理；在第一种情形中，干式蚀刻和清洗设备的每颗晶圆平均成本比第二种情形低20%。

其次则是介电质CVD处理，虽然第二种情形的设备成本比第一种低8%，但第一种情形的机台却提供30%更高产出，故仍占有成本优势。

图5：第一和第二种情形在各个技术下的处理成本差异各类晶圆的单位成本差异第一种情形需要277套机台，第二种则需要299机台，因此前者的运转与维护、设备折旧和人力成本都较低（表3）。

●系统总需求：第一种情形为277套机台，第二种为299套●每颗晶圆成本：第一种情形为1,959美元，第二种为2,054美元，每颗晶圆相差95美元；经过一年的生产后（360,000颗晶圆），总差异将累积至大约3,400万美元。

●资金投入：第一种情形为1,630,901美元，第二种情形为1,707,600美元●第一种情形的所须机台较少，因此运转与维护、设备折旧和人力成本都较低表3：按设备分类的每颗晶圆成本差异，第一种情形的资金成本较低7,700万美元晶圆厂产能扩大的成本比较利用模型研究所得资料，两个团队还进一步探讨在不做额外设备投资的前题下，把晶圆厂产能从30K WSPM 150nm七层铜逻辑组件扩大至40K WSPM的影响；仿真结果显示每颗晶圆的成本会降低，在第一种情形为285美元（1,959至1,674美元），第二种情形则为282美元（2054至1772）。

周期时间对于制造也很重要，图6是两种情形在30K WSPM基准产能下的比较，第一种情形的周期时间为17.5天，比第二种情形的19.5天还快2天。

等到将产能增至30K WSPM后，第一种情形的周期时间约为19.9天，比原先增加14%；第二种情形则增加至22.8天，增幅约为17%。

图6：设备不变时，使用30k WSPM和40k WSPM生产模型的生产周期时间比较结论此研究的主要目标是由应用材料和IDC使用一种共同模型建立技术，仿真在两种不同情形和各个制程技术条件下，晶圆厂设备资金成本和生产制造成本。

第二个目标是了解在不增加或只增加很少机台的情形下，把产能从30k WSPM扩大至40k WSPM的经济效益。

研究结果显示，随着技术的不同，这两种情形会存在很大的资金成本差异，从干式蚀刻机台的6,500万美元最大差异，一直到电镀机台的约略相等；整体而言，第一种情形所须的资金投入为1,631M美元，第二种为1,708M美元。

在各种技术的每颗晶圆处理成本方面，最大差异也是来自干式蚀刻机台，第一种情形提供20%的较低运转成本，相当于每颗晶圆58美元或每年总金额6,500万美元。

整体说来，第一种情形的机台需要277套系统，第二种为299套，换算为每颗晶圆则等于1959比2054美元。

经过一年的生产后（360,000颗晶圆），晶圆的总成本差异将累积至3,400万美元左右。