IC工藝技術(shù)11-IC制造中質(zhì)量控制

IC工藝技術(shù)11-IC制造中質(zhì)量控制第一頁，共84頁。內(nèi)容前言（一）成品率和成品率模型（二）制造環(huán)境－沾污控制（三）工藝優(yōu)化和試驗(yàn)設(shè)計(jì)(DOE)（四）統(tǒng)計(jì)過程控制(SPC)（五）工藝設(shè)備狀態(tài)的控制(Off-lineQC)（六）產(chǎn)品工藝的控制(On-lineQC)（七）PCM在質(zhì)量控制中的作用（八）低合格率圓片原因分析第二頁，共84頁。

前言

－質(zhì)量目標(biāo)

產(chǎn)品指標(biāo)符合客戶（設(shè)計(jì)）要求參數(shù)一致性和重復(fù)性好成品率高可靠性高第三頁，共84頁。前言－實(shí)現(xiàn)質(zhì)量目標(biāo)的措施質(zhì)量保證體系（ISO9000，ISO16949）質(zhì)量體系文件；人員培訓(xùn)；產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工藝開發(fā)的程序和評(píng)審；供應(yīng)商評(píng)審和進(jìn)料檢驗(yàn)；儀器計(jì)量；不合格品控制；出廠檢驗(yàn)；5S管理；內(nèi)審制度制造過程的質(zhì)量控制(QC)沾污控制；統(tǒng)計(jì)工具的應(yīng)用；生產(chǎn)設(shè)備狀態(tài)穩(wěn)定；關(guān)鍵工藝參數(shù)的監(jiān)控；PCM的監(jiān)控作用第四頁，共84頁。（一）成品率和成品率模型第五頁，共84頁。成品率代工（Fundry）Y=Y1*Y2*Y3Y1(LineYield)PCMin／WaferstartY2(PCMYield)PCMout/PCMinY3(VisualYield)Stockin/PCMout第六頁，共84頁。成品率公司品牌產(chǎn)品Y=Y1*Y2*Y3Y1(LineYield)=出片數(shù)/投入片數(shù)Y2揀選測(cè)試合格率(WaferSortYield)=合格芯片數(shù)/總芯片數(shù)Y3（封裝合格率）=封裝合格數(shù)/合格芯片數(shù)第七頁，共84頁。成品率趨勢(shì)圖（例）第八頁，共84頁。成品率趨勢(shì)圖（例）第九頁，共84頁。影響成品率的因素硅片直徑芯片尺寸制造環(huán)境工藝復(fù)雜性（光刻版數(shù)，工藝步數(shù)）特征尺寸晶體缺陷工藝成熟性第十頁，共84頁。成品率模型－泊松模型

Y=e-ADA芯片面積D缺陷密度假設(shè)整個(gè)硅片的缺陷密度是均勻的，且硅片之間完全相同廣義的缺陷包括材料缺陷，掩模版缺陷，顆粒，各種沾污，工藝缺陷假設(shè)都是致命缺陷，考慮缺陷致命與非致命時(shí)，引入缺陷成為致命缺陷的概率

Y=e-AD

第十一頁，共84頁。成品率模型－墨菲(Murphy)模型

Y=[(1-e-AD)/AD]2假設(shè)缺陷密度在硅片上和硅片間都不同．硅片中心缺陷密度低，邊緣密度高．適于預(yù)測(cè)VLSI和ULSI成品率第十二頁，共84頁。成品率模型－(Seed)模型

Y=e-AD也假設(shè)缺陷密度在硅片上和硅片間有變化．適于預(yù)測(cè)VLSI和ULSI成品率Murphy/Seed組合模型Y=｛[(1-e-AD)/AD]2＋e-AD｝/2第十三頁，共84頁。缺陷尺寸和致命性2um

SiO2Subpoly500A100A0.2um0.3umMetal第十四頁，共84頁。缺陷的尺寸分布和致命性Ｙ低Ｙ高0.51.01.5缺陷大小(uA)1.00.80.60.4缺陷大小分布Dsize(x)失效概率積分核K(x)致命缺陷概率=Dsize(x)K(x)dx0.2第十五頁，共84頁。按層次細(xì)分的成品率模型有時(shí)成品率公式細(xì)分為單個(gè)工藝步驟成品率的乘積Y=Yi=e-ADii

不同層次缺陷的致命程度不一樣，例如CMOS工藝中，polygate,contact,metal尺寸接近光刻最小尺寸，小缺陷容易成為致命缺陷，這些工藝步驟的成品率起主要作用。這些稱關(guān)鍵層。重點(diǎn)要控制關(guān)鍵層的缺陷設(shè)備決定缺陷數(shù)量和大小分布，工藝和設(shè)計(jì)決定缺陷的敏感度（積分核K）第十六頁，共84頁。缺陷密度趨勢(shì)圖（例）第十七頁，共84頁。成品率和芯片面積（例）第十八頁，共84頁。（二）制造環(huán)境－沾污控制第十九頁，共84頁。沾污的類型顆粒金屬雜質(zhì)有機(jī)物沾污自然氧化層靜電釋放第二十頁，共84頁。顆粒懸浮在空氣中的顆粒和黏附在硅片上的顆粒顆粒能引起電路的開路和短路可以接受的顆粒尺寸是必須小于最小器件特征尺寸的一半每步工藝引入到硅片的超過一定尺寸的顆粒數(shù)(PWP)必須受控顆粒檢測(cè)：激光掃描硅片，檢測(cè)顆粒散射的光強(qiáng)及位置第二十一頁，共84頁。金屬雜質(zhì)重金屬雜質(zhì)Fe,Ni,Cu,Cr,Ti,W堿金屬雜質(zhì)Na,K第二十二頁，共84頁。重金屬雜質(zhì)沾污重金屬雜質(zhì)具有深能級(jí)，它形成復(fù)合中心．少數(shù)載流子壽命可反映沾污水平重金屬雜質(zhì)引起擊穿降低，漏電增加重金屬雜質(zhì)來源硅片，石英管，管道系統(tǒng)，化學(xué)試劑，刻蝕濺射，硅片流轉(zhuǎn)操作過程通過測(cè)少子壽命的方法（如光電導(dǎo)法）檢測(cè)重金屬沾污第二十三頁，共84頁。光電導(dǎo)法測(cè)少子壽命11/etime第二十四頁，共84頁。清洗條件和壽命清洗方法DCELifetime(uS)SC1No273263233Yes231245258SC1+SC2No120612331148Yes179318851736第二十五頁，共84頁。spv第二十六頁，共84頁。堿金屬雜質(zhì)沾污形成氧化物中可動(dòng)離子電荷，引起表面漏電，開啟電壓變化來源：石英器皿，人體，化學(xué)品，制造工序監(jiān)控方法：CV+BT處理第二十七頁，共84頁。氧化層沾污（可動(dòng)電荷）監(jiān)控Na＋可動(dòng)離子電荷＋＋＋＋xxxx＋＋＋－－－K+氧化層陷阱氧化層固定電荷界面陷阱電荷第二十八頁，共84頁。CV法測(cè)氧化層電荷V(v)C(pf)CoVFBVFBQSS=CoVFBQM=CoVFBP-Si第二十九頁，共84頁。靜電釋放(ESD)靜電荷叢一物體向另一物體未經(jīng)控制地轉(zhuǎn)移．電流泄放電壓可以高達(dá)幾萬伏．幾個(gè)納秒內(nèi)能產(chǎn)生超過1A峰值電流，可熔化和蒸發(fā)金屬導(dǎo)體連線，擊穿氧化層積累電荷的硅片能吸引帶電顆粒和中性顆粒第三十頁，共84頁。靜電釋放(ESD)的防止防靜電的凈化間材料人員和設(shè)備接地離子發(fā)射器－使空氣電離－中和硅片上靜電荷第三十一頁，共84頁。（三）工藝設(shè)計(jì)優(yōu)化－試驗(yàn)設(shè)計(jì)第三十二頁，共84頁。試驗(yàn)設(shè)計(jì)試驗(yàn)設(shè)計(jì)DOE,DesignofExperiments*在諸多工藝參數(shù)中找出主要因素*用較少的工藝試驗(yàn)次數(shù)決定工藝條件Taguchi法第三十三頁，共84頁?？涛g試驗(yàn)的全因素試驗(yàn)輸入?yún)?shù)1.RF功率(w)2.壓力(mTorr)3.腔室溫度(C)4.CF4%5.本底壓力(Torr)6.硅片數(shù)量7.總氣流量(slpm)結(jié)果：刻蝕速率全因素試驗(yàn)每個(gè)參數(shù)（因子）取三個(gè)值，需做37即2187次試驗(yàn)第三十四頁，共84頁?？涛g試驗(yàn)的正交矩陣(OA)因素1234567試1LLLLLLL試2LLLHHHH試3LHHLLHH試4LHHHHLL試5HLHLHLH試6HLHHLHL試7HHLLHHL試8HHLHLLH第三十五頁，共84頁。刻蝕試驗(yàn)的試驗(yàn)參數(shù)變量H級(jí)L級(jí)1RF功率(w)5001002壓力(mTorr)50103腔室溫度(C)80404CF4%75505本底壓力(Torr)1x10-41x10-56硅片數(shù)量417總氣流量(slpm)2.51.0第三十六頁，共84頁。L8OA試驗(yàn)刻蝕結(jié)果1234567Etchrate(kA/min)試1LLLLLLL0.760試2LLLHHHH0.895試3LHHLLHH0.400試4LHHHHLL0.755試5HLHLHLH1.575試6HLHHLHL1.800試7HHLLHHL1.170試8HHLHLLH1.515第三十七頁，共84頁。方差分析試驗(yàn)偏差SS=[(H)-(L)]2/8以因素1（射頻功率）為例SSpower=(6.06-2.81)2/8＝1.32第三十八頁，共84頁。數(shù)據(jù)分析例變量SSdfVF1功率1.32.11.32603.499%顯著2壓力0.17710.17780.999%顯著3腔室溫度0.005***4CF4%0.14010.14064.099%顯著5本底壓力0***6硅片數(shù)量0.01410.0146.490%顯著7總氣流量0.001***第三十九頁，共84頁。（四）統(tǒng)計(jì)過程控制(SPC)

StatisticalProcessControl

第四十頁，共84頁。工藝受控的概念生產(chǎn)中即使原料和工藝條件‘保持不變’，工藝結(jié)果也存在起伏．原因分兩類：1.隨機(jī)原因（不可避免）－服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律2.異常原因如過失誤差，條件改變，變化突然異常大，或有一定趨勢(shì)．若只存在隨機(jī)原因引起的起伏稱工藝處于統(tǒng)計(jì)受控狀態(tài)第四十一頁，共84頁。正態(tài)分布函數(shù)T=6TLTU-33-------X99.73%第四十二頁，共84頁。X控制圖UCLLCLX第四十三頁，共84頁?？刂茍D平均值－極差控制圖(X--R)平均值控制圖的控制限計(jì)算UCL=T+3LCL=T-3T:參數(shù)目標(biāo)值極差控制圖的控制限計(jì)算UCL=D4RLCL=D3RR：極差平均值平均值－標(biāo)準(zhǔn)差控制圖(X--S)第四十四頁，共84頁。SPC流程確定關(guān)鍵工藝過程節(jié)點(diǎn)及其關(guān)鍵工藝參數(shù)采集工藝參數(shù)數(shù)據(jù)工藝受控狀態(tài)分析控制圖失控時(shí)，執(zhí)行改進(jìn)行動(dòng)(OCAP)第四十五頁，共84頁。控制圖失控判據(jù)1點(diǎn)超控制限連續(xù)9點(diǎn)在目標(biāo)值一側(cè)連續(xù)6點(diǎn)上升或下降連續(xù)3點(diǎn)中有2點(diǎn)在2線以外連續(xù)5點(diǎn)中有4點(diǎn)在1線以外連續(xù)8點(diǎn)中無1點(diǎn)在1線以內(nèi)第四十六頁，共84頁。工序能力指數(shù)Ck和CpkCk＝(TU-TL)/6Cpk＝(TU-TL)/6[1-K]K＝[X-∣(TU+TL)/2∣]/(TU-TL)/2XTUTL0第四十七頁，共84頁。（五）設(shè)備狀態(tài)的控制

OfflineQC第四十八頁，共84頁。設(shè)備狀態(tài)的控制新進(jìn)設(shè)備投入生產(chǎn)前必須進(jìn)行工藝驗(yàn)證每一關(guān)鍵設(shè)備至少有一個(gè)控制圖，確保處于受控狀態(tài)

光刻機(jī)套準(zhǔn)偏離CD腐蝕設(shè)備腐蝕速率CD氧化擴(kuò)散爐氧化層厚度，Qss/Nion,顆粒離子注入方塊電阻設(shè)備必須定期進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)(PM)第四十九頁，共84頁。擴(kuò)散爐溫度穩(wěn)定性

1175℃24hrT<1℃1175C,24hrT<1℃第五十頁，共84頁。Boatin后溫度變化進(jìn)舟后溫度穩(wěn)定需15分鐘Zone1ZONE!Zone1第五十一頁，共84頁。擴(kuò)散爐升溫特性升溫需5分鐘穩(wěn)定第五十二頁，共84頁。擴(kuò)散爐降溫特性降溫需20分鐘穩(wěn)定第五十三頁，共84頁。方塊電阻控制圖（重復(fù)性）Average:225.29/□STDV:2.414第五十四頁，共84頁。多臺(tái)擴(kuò)散爐匹配E1E2E3AverageE1:224.01E2:223.86E3:223.43/□E1E2E3第五十五頁，共84頁。BOE腐蝕速率控制圖第五十六頁，共84頁。氧化層厚度均勻性監(jiān)控第五十七頁，共84頁。氧化層厚度均勻性監(jiān)控（三維）第五十八頁，共84頁。（六）產(chǎn)品工藝的控制

On-lineQC第五十九頁，共84頁。產(chǎn)品工藝的控制對(duì)器件參數(shù)影響大的工序和工藝參數(shù)實(shí)施控制Bipolar外延－厚度，電阻率基區(qū)氧化擴(kuò)散－氧化層厚度，方塊電阻CMOS柵氧化厚度多晶硅柵特征寬度第六十頁，共84頁。質(zhì)量控制計(jì)劃工序名稱參數(shù)名稱參數(shù)范圍抽樣頻率控制方法行動(dòng)計(jì)劃外延厚度8.0+/-0.5um1p/lotSPCOCAP外延電阻率1.7+/-0.2ohmcm1p/lotSPCOCAP隔離光刻ADI.CD4.0+/-0.4um1p/lotSPECNCR隔離腐蝕AEI.CD4.9+/-0.5um1p/lotSPECNCR基區(qū)光刻AEICD4.6+/-0.5um/sq1p/lotSPCOCAP基區(qū)推進(jìn)方阻223+/-8ohm/sq1p/lotSPCOCAP第六十一頁，共84頁?；鶇^(qū)刻蝕后CD控制圖（例）第六十二頁，共84頁。外延厚度控制圖（例）第六十三頁，共84頁。（七）PCM在質(zhì)量控制

中的作用第六十四頁，共84頁。第六十五頁，共84頁。第六十六頁，共84頁。PCM圖形第六十七頁，共84頁。PCM圖形PCM圖形插在劃片道內(nèi)第六十八頁，共84頁。PCM圖形內(nèi)容（雙極）晶體管

npn,pnp二極管電阻基區(qū)電阻，發(fā)射區(qū)電阻，外延電阻，夾斷電阻，埋層電阻，隔離區(qū)電阻，深磷電阻電容第六十九頁，共84頁。范德堡法測(cè)薄層電阻R=1/4[V12/I34+V23/I41+V34/I12+V41/I23]Rs=(/ln2)FR第七十頁，共84頁。Pinch電阻

PbaseＰ襯底NEpi第七十一頁，共84頁。測(cè)埋層電阻和深磷電阻V1V2I1I2RDNRBUV1=I1(2RDN+RBU)V2=I2(2RDN+2RBU)第七十二頁，共84頁。PCM圖形內(nèi)容（雙極）不同區(qū)域擊穿電壓外延層／隔離，基區(qū)／隔離，深磷／隔離場(chǎng)開啟電壓接觸電阻和接觸鏈金屬爬臺(tái)階層間套準(zhǔn)第七十三頁，共84頁。接觸鏈圖形第七十四頁，共84頁。金屬爬臺(tái)階圖形第七十五頁，共84頁