IC工艺技术11IC制造中的质量控制

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IC工艺技术11IC制造中的质量控制
成品率模型－泊松模型
•
Y=e-AD
• A 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
• Y3 （封装合格率） • =封装合格数/合格芯片数
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IC工艺技术11IC制造中的质量控制
成品率趋势图（例）
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IC工艺技术11IC制造中的质量控制
成品率趋势图（例）
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IC工艺技术11IC制造中的质量控制
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
•3
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X 控制图
•UCL •X
•LCL
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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+3 LCL=T-3 T:参数目标值 极差控制图的控制限计算 UCL=D4 R LCL=D3R R：极差平均值
• 制造过程的质量控制 (QC)
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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
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（一）成品率和成品率模型
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IC工艺技术11IC制造中的质量控制
成品率
• 代工（Fundry） • Y=Y1*Y2*Y3
•氧化层 •陷阱
•Na＋ •＋ ＋ ＋
•可动离子电
荷
•K+
•－ － －
•＋ •＋ •＋ •＋
•x •x •x •x
•氧化层固定电荷 •界面陷阱电荷
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CV法测氧化层电荷
•Co •VFB
•P-Si
•C(pf) •VFB
•QSS=CoVFB •QM=CoVFB
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)/AD]2＋e-AD｝/2
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IC工艺技术11IC制造中的质量控制
缺陷尺寸和致命性
•2um •0.3um •Metal
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
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IC工艺技术11IC制造中的质量控制
正态分布函数
•T=6
•TL
•TU
•-------
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•99.73%
•-3
•X
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1 2 3 4 5 6 7
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刻蚀试验的试验参数
变量
H级
RF功率(w)
500
压力(mTorr) 50
腔室温度(C) 80
CF4%
75
本底压力(Torr) 1x10-4
硅片数量
4
总气流量(slpm) 2.5
L级 100 10 40 50 1x10-5 1 1.0
光电导法测少子寿命
•1 •1/e
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•time
IC工艺技术11IC制造中的质量控制
清洗条件和寿命
清洗方法 DCE
SC1
No
Yes
SC1+SC2 No
Yes
Life time (uS)
273
263
233
231
245
258
1206 1233 1148
1793 1885 1736
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IC工艺技术11IC制造中的质量控制
工序能力指数 Ck和 Cpk
• Ck＝(TU-TL)/6 • Cpk ＝(TU-TL)/6 [1-K] • K ＝[X- ∣(TU+TL)/2 ∣]/ (TU-TL)/2
IC工艺技术11-IC制造中 的质量控制
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2020/11/2
IC工艺技术11IC制造中的质量控制
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-line QC) （六）产品工艺的控制 (On-line QC) （七）PCM在质量控制中的作用 （八）低合格率圆片原因分析
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数据分析例
变量
SS
1 功率
1.32.
2 压力
0.177
3 腔室温度 0.005
4 CF4 %
0.140
5 本底压力 0
6 硅片数量 0.014
7 总气流量 0.001
df V
F
1 1.32 603.4
1 0.177 80.9
**
*
1 0.140 64.0
IC工艺技术11IC制造中的质量控制
1
试1 L 试2 L 试3 L 试4 L 试5 H 试6 H 试7 H 试8 H
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L8 OA试验刻蚀结果
2
34
5
67
Etch rate
(kA/min)
L L L L L L 0.760
L L H H H H 0.895
H H L L H H 0.400
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
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金属杂质
• 重金属杂质 Fe,Ni,Cu,Cr,Ti,W
• 碱金属杂质 Na,K
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IC工艺技术11IC制造中的质量控制
• 平均值－标准差控制图(X--S)
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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)
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IC工艺技术11IC制造中的质量控制
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
**
*
1 0.014 6.4
**
*
99%显著 99%显著
99%显著
90%显著
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（四）统计过程控制(SPC)
Statistical Process Control
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IC工艺技术11IC制造中的质量控制
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：
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IC工艺技术11IC制造中的质量控制
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
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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
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IC工艺技术11IC制造中的质量控制
• 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）
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IC工艺技术11IC制造中的质量控制
缺陷密度趋势图（例）
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IC工艺技术11IC制造中的质量控制
成品率和芯片面积（例）
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（二）制造环境－沾污控制
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IC工艺技术11IC制造中的质量控制
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
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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
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
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（三）工艺设计优化－试验 设计
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试验设计
• 试验设计 DOE, Design of Experiments * 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
H H H H L L 0.755
L H L H L H 1.575
L H H L H L 1.800
H L L H H L 1.170
H L H L L H 1.515
IC工艺技术11IC制造中的质量控制
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)2/8＝1.32
Y1 (Line Yield) PCM in／Wafer start Y2 (PCM Yield) PCM out/PCM in Y3 (Visual Yield) Stock in/PCM out
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成品率
• 公司品牌产品
• Y=Y1*Y2*Y3 • Y1 (Line Yield)= 出片数/投入片数 • Y2 拣选测试合格率(Wafer Sort Yield) • =合格芯片数/总芯片数
•
Y=e-AD
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IC工艺技术11IC制造中的质量控制
成品率模型－墨菲(Murphy)模型
• Y=[(1-e-AD)/AD]2
• 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
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IC工艺技术11IC制造中的质量控制
spv
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IC工艺技术11IC制造中的质量控制
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
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IC工艺技术11IC制造中的质量控制
氧化层沾污（可动电荷）监控
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IC工艺技术11IC制造中的质量控制
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
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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
•0.2um
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•poly
• SiO2 •Sub
•500A
•100A
IC工艺技术11IC制造中的质量控制
缺陷的尺寸分布和致命性
• •1.
0 •0. 8 •0.6
Ｙ低
•0.4
•0.2
Ｙ高
•失效概率积分核
•K致(x命) 缺陷概率 •=Dsize(x)K(x)dx
•缺陷大小分布 Dsize(x)
•V(v)
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IC工艺技术11IC制造中的质量控制
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
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•0.
•1.0
5 •缺陷大小 (uA)
•1.5
IC工艺技术11IC制造中的质量控制
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，poly gate,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
IC工艺技术11IC制造中的质量控制
刻蚀试验的正交矩阵(OA)
因素 1 2 3 4 5 6 7
试1 L L 试2 L L 试3 L H 试4 L H 试5 H L 试6 H L 试7 H H 试8 H H
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LL LH HL HH HL HH LL LH
L LL H HH L HH H LL H LH L HL H HL L LH