第六章_工艺良品率

第六章工艺良品率

概述

高水平的工艺良品率是生产性能可靠的芯片模并获得收益的关键所在。本章将结合影响良品率的主要工艺及材料要素对主要的良品率测量点做出阐述。对于不同电路规模和良品率测量点的典型良品率也在本章中列出。

目的

完成本章后您将能够：

1.指出三个工艺良品率的主要测量点。

2.解释晶圆直径，芯片模尺寸，芯片模密度，边缘芯片模数量和制程缺陷密度

对晶圆电测良品率的影响。

3.通过单步工艺制程良品率来计算出累积晶圆生产良品率。

4.能够解释及计算整体工艺良品率。

5.对影响制造良品率的四个主要方面作出解释。

6.建立良品率相对时间的曲线来反映不同的工艺和电路成熟程度。

7.解释高水平的工艺良品率和器件可靠性之间的联系。

良品率测量点

维持及提高良品率（yields）对半导体工业至关重要。任何对半导体工业做过些许了解的人都会发现，整个工业对其生产良品率极其关注。的确如此，半导体制造工艺的复杂性，以及生产一个完整封装器件所需要经历的庞大工艺制程数量，是导致这种对良品率超乎寻常关注的基本原因。这两方面的原因使得通常只有20%至80%的芯片模能够完成从投片开始的晶圆生产线全过程，成为成品出货。

对于大部分的制造工程师来说，这样的良品率看上去真是太低了。可是当我们考虑一下所面临的挑战，是要在极其苛刻的洁净空间中，在1/2平方英寸的芯片模范围内，制做出数百万个微米量级的元器件平面构造和立体层次，就会觉得能够生产出任何这样的芯片已经是半导体工业了不起的成就。

另外一个抑制良品率的重要方面是大多数生产缺陷的不可修复性。不象有缺陷的汽车零件可以被更换，这样的机会对半导体制造来说通常是不存在的。缺陷芯片或晶圆一般是无法修复的。在某些情况下没有满足性能要求的芯片可以被降级处理做低端应用。废弃的晶圆或许可以发挥余热，被用作某些制程工艺的控制晶圆或假片（见第6.5.1节及第7章中关于氧化工艺的讨论）。

除了以上这些工艺方面的因素外，规模化的量产也使得良品率益发重要。巨额的资金投入，高于工业界平均比例的工程技术人员使用，这些导致了半导体生产高昂的分摊成本。居高不下的分摊成本，加上激烈竞争使得产品价格持续下滑，驱使大部分芯片生产厂运行在一个大规模量产，高良品率的水平上。

基于所有这些原因，也就不难理解半导体工业对于良品率的执著了。大部分的设备和原材料供应商都以自己的产品可能提升良品率来作为推销的主要手段。同样，工艺工程部门也把维持和提高制程良品率当作本部门的主要责任。良品率在制程的每一站都会被计算出来，其中，三个主要的良品率被用来监控整个半导体工艺制程（图6.1）。

主要良品率测量点

生产工序测量内容

晶圆产出数

晶圆生产部门- 良品率 = --------------

晶圆投入数

合格芯片模数

晶圆电测–良品率 = -----------------------

晶圆上的芯片模总数

终测合格的封装芯片模数

封装–良品率= --------------------------------------

投入封装生产线的合格芯片模数

图 6.1 主要良品率测量点

累积晶圆生产良品率

在晶圆完成所有的生产工艺后，第一个主要良品率被计算出来的。对此良品率有多种不同的叫法，如FAB良品率、生产线良品率，累积晶圆厂良品率，或CUM良品率。

晶圆厂CUM良品率用一个百分比来表示，可通过两种不同的计算方法得到。一种是用完成生产的晶圆总数除以总投片数。这种简单的计算方法在实际上很少被使用。因为大部分的晶圆生产线同时生产多种不同类型的电路。不同类型的电路拥有不同的特征工艺尺寸和密度参数。一条晶圆生产线经常是生产一系列不同的产品，每一种产品都有其各自不同数量的工艺步骤和难度水平。在这种情况下，将会针对每一类产品计算一个合成良品率。

一条晶圆生产线上会存有大量制程中的晶圆，这些晶圆的生产周期从4至6周不等。一类或更多类产品在制程中的某些地方受阻滞留，这种情况并非罕见。完成制程的晶圆很少与投入的晶圆直接对应。因此只是简单地使用投入与产出的晶圆数将很难反映每一种类型电路的真实良品率。

要得到CUM良品率，需要首先计算各制程站良品率（station yields），即以离开单一制程站的晶圆数比上进入此一制程站的晶圆数。

离开制程站晶圆数

制程站良品率 = --------------------------

进入制程站晶圆数

将各制程站良品率依次相乘就可得出整体的晶圆生产CUM良品率。

晶圆生产CUM良品率 = 良品率（制程站1）X良品率（制程站2）X…X良品率（制程站N）

图6.2列出了一个11步的晶圆工艺制程，与我们在第五章中使用的一样。图中第三列列出了各制程站的典型良品率。累积良品率列在第五列。对单一产品来说，从制程站良品率计算出的CUM良品率与通过晶圆进出计算出的良品率是相同的。也就是说对这一产品累积良品率与简单方法算出的CUM良品率是相等的。

工艺步骤晶圆进良品率* 晶圆出累积良品率1．场氧化物

2．源极/漏极光刻

3．源极/漏极掺杂

4．栅极区光刻

5．栅极氧化

6．接触孔光刻

7．金属层淀积

8．金属层光刻

9．合金金属层

10．钝化层淀积

11．钝化层光刻

*所列良品率数值为特定工艺的典型数值

图6.2 累积（晶圆生产）良品率计算

典型的晶圆生产CUM良品率在50%到95%之间，取决于一系列的因素，我们接下来对此会做详细讨论。计算出来的CUM良品率被用于计划生产，或被工程部和管理者作为工艺有效性的一个指标。

晶圆生产良品率制约因素

晶圆生产良品率受到许多方面的制约。下面列出了五个制约良品率的基本因素，任何晶圆生产厂都一定会对它们进行严格的控制。这五个基本因素的共同作用决定了一个工厂的综合良品率。

1．工艺制程步骤的数量

2．晶圆破碎和弯曲

3．工艺制程变异

4．工艺制程缺陷

5．光刻掩膜版缺陷