隨著芯片制造商向下一代 3D NAND 和 finFET 器件遷移，保持成本可接受的同時實現(xiàn)高產(chǎn)量的難度正變得越來越大——但這并不僅僅是因為光刻問題的復(fù)雜度越來越大。

舉個例子，為了制造一片先進(jìn)的邏輯芯片，一片晶圓要在晶圓廠中從一臺設(shè)備移到另一臺設(shè)備，其中的工藝步驟可多達(dá) 1000 步以上。設(shè)備或工藝過程中的任何瑕疵都可能導(dǎo)致晶圓缺陷，進(jìn)而影響產(chǎn)量。原因可能是設(shè)備本身中的看似不重要的部件或子系統(tǒng)出現(xiàn)了故障。

簡單來說，由晶圓設(shè)備中對工藝至關(guān)重要的元件帶來的缺陷會影響產(chǎn)量，SEMI 的半導(dǎo)體元件、儀器和子系統(tǒng)（SCIS）特別興趣組的成員如此表示，這個組織可以代表元件和子系統(tǒng)的供應(yīng)商。這些問題已經(jīng)存在了一些時日了，但據(jù) SCIS 稱，隨著芯片制造商往 10/7nm 及以后的節(jié)點遷移，這些問題將會變得更加棘手。SCIS 特別興趣組的成員公司包括GlobalFoundries、IM Flash、英特爾、美光、TI、三星以及主要的晶圓廠工具和元件供應(yīng)商。

晶圓廠設(shè)備中的元件和子系統(tǒng)常被理所當(dāng)然地認(rèn)為也就那樣，但它們在半導(dǎo)體供應(yīng)鏈中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。比如說，一些更為復(fù)雜的晶圓廠工具集成了來自數(shù)十家供應(yīng)商的超過 50000 個零部件。腔室、泵、射頻發(fā)生器、密封件和閥門就是其中的一些關(guān)鍵元件。

一般來說，這些元件是很穩(wěn)健的，不會帶來問題，但有時候它們會給晶圓廠帶來麻煩。根據(jù)來自芯片制造商的真實案例，這里列舉了幾個晶圓廠中可能出問題的地方，而這只是可能出現(xiàn)的問題中的一小部分：

在輔助間（sub-fab）的一部分安裝了錯誤的 O 形圈，這可能導(dǎo)致流體被污染。O 形圈是系統(tǒng)中一種用作密封件的零件。

超純水系統(tǒng)中的壓力調(diào)節(jié)器故障，會導(dǎo)致工藝過程中出現(xiàn)污染。

在一個散裝化學(xué)品配送系統(tǒng)出現(xiàn)襯料泄漏，導(dǎo)致設(shè)備腐蝕。

“子元件對設(shè)備系統(tǒng)有重大影響，這又會進(jìn)一步影響晶圓廠設(shè)備的性能表現(xiàn)?！泵拦饪萍既蛟O(shè)備和企業(yè) EHS 總經(jīng)理 Norm Armor 說，“我們的子元件和材料供應(yīng)商在緊跟我們的發(fā)展路線圖上表現(xiàn)很好。但時不時就會出現(xiàn)小挫折。這些小挫折可以打亂整個生態(tài)系統(tǒng)的步伐。”

為此，半導(dǎo)體行業(yè)的供應(yīng)鏈正在發(fā)生一些變化。不久前，設(shè)備廠商還主要從供應(yīng)商那里指定所需的工具元件?，F(xiàn)在，除了工具制造商，芯片制造商也參與進(jìn)來了，而且它們正與元件供應(yīng)商合作，以防止晶圓廠中可能出現(xiàn)的問題。

“這個故事要表達(dá)的是你不僅必須設(shè)定你的晶圓廠工具元件的規(guī)格，還必須關(guān)注你的子元件。”Armour 在最近舉辦的美國西部半導(dǎo)體展（Semicon West）上說，“我們已經(jīng)在工具方面合作了 40 年。為什么不與子元件制造商也一起合作呢？”

然而，合作只是解決方案的一部分。在先進(jìn)節(jié)點，半導(dǎo)體行業(yè)希望對工具元件進(jìn)行更加嚴(yán)格的測試，但在如何測量這些零部件的缺陷方面，它們也還需要找到更好的方法。問題是測量標(biāo)準(zhǔn)要么不夠，要么就根本沒有。比如說，在 IC 行業(yè)的 O 形圈密封件上的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格很少，甚至沒有；而這種東西在 1800 年代就已經(jīng)為蒸汽機開發(fā)出來了。

要找到解決這些問題的方法，SEMI 的 SCIS 特別興趣組正在著手制定用于測量元件引入的缺陷的新標(biāo)準(zhǔn)和新方法。此外，在解決這個問題上還存在其它解決方案，比如先進(jìn)計量技術(shù)、晶圓監(jiān)控和仿真技術(shù)。

晶圓廠難題

今天的晶圓廠有大量移動組件。據(jù)加州大學(xué)伯克利分校的研究，一個每月需要 50000 片初制晶圓的理論晶圓廠需要以下設(shè)備：

50 臺掃描儀/步進(jìn)機外加晶圓軌道；

10 臺大流量和 8 臺中等流量的離子注入機

40 臺蝕刻機器

30 臺 CVD 工具

圖 1：一家晶圓廠內(nèi)部，來自 GlobalFoundries

此外，300mm 晶圓廠也是自動化工廠，會用到各種自動化材料處理系統(tǒng)和晶圓傳送機制。

圖 2：統(tǒng)一的晶圓廠傳送系統(tǒng)，來自 Daifuku

在這樣的晶圓廠中，工具必須處理更小更準(zhǔn)確的特征。而且在每個節(jié)點，缺陷也會變得更小，也就更難以找到，因此就會需要新的先進(jìn)計量技術(shù)。Coventor 的首席技術(shù)官 David Fried 說：“每一代我們都將電路的面積縮減 50%。你將在晶圓廠中使用 30 種不同的計量技術(shù)。”

但有時候問題會出現(xiàn)在晶圓廠流程上。缺陷可能會在過程中的任何部分產(chǎn)生。然后，晶圓廠中的工具可能會遇到問題，這可能意味著問題的數(shù)量很大。

一般而言，一臺晶圓廠工具會裝配多種傳感器。這些傳感器可以監(jiān)控該工具內(nèi)的許多功能，比如氣流、問題、壓力和射頻功率。“每臺工具都有數(shù)百個乃至數(shù)千個傳感器?！盕ried 說，“每個傳感器都有一個可接受范圍。如果工具的一個傳感器檢測到了一個錯誤，它通常會觸發(fā)警報并自行脫離工廠的自動調(diào)度系統(tǒng)，這樣就不會有更多晶圓送入這臺工具加工處理了?！?/p>

也可能會出現(xiàn)其它問題。他說：“在大多數(shù)工藝步驟之后，會執(zhí)行測量或計量操作以衡量這個工藝過程是否成功。如果這些測量結(jié)果不符合規(guī)格，這些工具就會暫停使用，以便進(jìn)一步評估。但這也會導(dǎo)致之前過程的工具下線進(jìn)行維護(hù)或進(jìn)一步測試?！?/p>

盡管如此，晶圓廠的目標(biāo)是不停步地持續(xù)運轉(zhuǎn)。他說：“流程中沒有任何步驟是晶圓必須經(jīng)過某臺工具。任何晶圓廠都有許多臺一樣的工具，從而讓工廠可以實現(xiàn)大量的生產(chǎn)制造，即使有的工具停工也無妨?！?/p>

無論如何，晶圓工具需要維護(hù)。每一臺工具都有預(yù)防性的維護(hù)計劃，這時候系統(tǒng)要下線進(jìn)行清潔和升級。所以晶圓廠會存留一些備用零部件。

“一些晶圓廠是自己做維護(hù)，通常由被稱為‘設(shè)備工程（Equipment Engineering）’的團(tuán)隊來做?！彼f，“很多晶圓廠購買的工具帶有‘供應(yīng)商維護(hù)合同’，這意味著如果工具由于意外原因下線，可以要求供應(yīng)商來提供服務(wù)。這種時候?qū)﹄p方來說都很有壓力?！?/p>

確實如此，如果一臺工具出了問題，找到并解決這個問題是一項艱巨的任務(wù)。而且這個過程也可能非常耗時而且高成本。

比如說，一個元件可能不僅在一個工具中出故障，而且可能導(dǎo)致工藝流程引起的缺陷。元件的數(shù)量因工具而各不相同，但更復(fù)雜的系統(tǒng)的零部件數(shù)量簡直讓人難以置信。比如蔡司公司用于極紫外（EUV）光刻應(yīng)用的 AIMS 系列光掩模檢測工具。根據(jù)英特爾的數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)由 4500 個子系統(tǒng)和來自 134 家不同供應(yīng)商的 64000 個單獨零部件構(gòu)成。這款 AIMS 工具是目前市場上更先進(jìn)的系統(tǒng)，但它也能體現(xiàn)出當(dāng)前工具的復(fù)雜性。

假設(shè)在現(xiàn)場工作的 AIMS 工具出現(xiàn)了一個問題，那這個問題就可能是由該系統(tǒng)中的一個或多個零部件導(dǎo)致的。要找到這些零部件絕非易事。英特爾的一位技術(shù)支持專家Ya-hong Neirynck 說：“如果我們要搜尋該工具的一個缺陷，我們就像是在干草堆里找一根針。”

在晶圓廠已經(jīng)很復(fù)雜的供應(yīng)鏈和工藝流程中，元件的潛在問題不過是芯片制造商又一個需要擔(dān)憂的事情罷了。“能夠影響你的晶圓的變量更多了?！盙lobalFoundries 的全球來料質(zhì)量總監(jiān) Pawitter Mangat 說，“追蹤這些變體、追蹤這些元件和追蹤這些工藝的可追溯性全都會導(dǎo)致出現(xiàn)這些變量。我們不能承受有的零部件的表現(xiàn)無法維持的情況。從成本和每次更換一個 O 形圈時就要檢查是否合格以及驗證的方面考慮一下?！?/p>

而且隨著芯片制造商向 10/7nm 及以后節(jié)點遷移，晶圓廠已經(jīng)沒有容忍誤差的空間了。Mangat 說：“必須要控制住變化。我們要知道我們一直以來都看到的工藝的變化情況將不再是先進(jìn)節(jié)點的慣例，而將需要嚴(yán)格得多的控制、規(guī)格限制和操作。”

但希望還是有的。在元件/子系統(tǒng)方面，Mangat 為半導(dǎo)體行業(yè)列出了幾種解決方案：

供應(yīng)鏈增進(jìn)合作

增強元件供應(yīng)商的質(zhì)量程序

為元件制定基準(zhǔn)指標(biāo)和缺陷測試標(biāo)準(zhǔn)

設(shè)計追蹤問題的方法

增進(jìn)合作

當(dāng)工具制造商開發(fā)出了新系統(tǒng)時，一種工藝就開始了。為此，設(shè)備制造商需要為該系統(tǒng)采購元件。

過去許多年來，工具制造商已經(jīng)有了自己更偏愛的元件供應(yīng)商，而且他們了解并且信任這些供應(yīng)商。他們也知道需要避開哪些供應(yīng)商。

甚至芯片制造商也在密切關(guān)注供應(yīng)商?！拔覀冏裱惶追浅?yán)格的內(nèi)部 SOP（標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)程序），以確保我們的零部件和子系統(tǒng)符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)?！甭?lián)華電子公司（UMC）官方稱，“其中的措施包括檢查安全性、硬件性能和確保得到的結(jié)果符合要求的規(guī)格。UMC 內(nèi)部有一個獨立的質(zhì)量認(rèn)證流程，這讓我們可以設(shè)置我們自己的嚴(yán)格質(zhì)量基準(zhǔn)以及控制涉及認(rèn)證新來的工具或材料的參數(shù)和條件?！?/p>

很顯然，供應(yīng)商也必須做自己的功課。他們必須理解一種給定元件的特性，這樣他們才能在晶圓廠出問題之前就預(yù)見到潛在的問題。

“各家供應(yīng)商的情況都有不同?！盇pplied Materials 公司 Applied Global Services 部門服務(wù)產(chǎn)品開發(fā)副總裁 Kirk Hasserjian說，“其中一些技術(shù)對特定類型的缺陷非常敏感。其它技術(shù)則沒有這么敏感。CMOS 圖像傳感器就是一個典型案例。它們對金屬污染物和微量金屬極其敏感?！?/p>

此外，工具制造商必須繼續(xù)向他們的供應(yīng)商反復(fù)強調(diào)對質(zhì)量的需求，而且他們也有充分的理由這么做。TEL 的先進(jìn)半導(dǎo)體技術(shù)部門副總裁兼總經(jīng)理 Aki Sekiguchi 表示：“技術(shù)在變化。對 10nm 可行的技術(shù)可能對 7nm、5nm等等就不行了。一般而言，隨著技術(shù)越來越緊密，規(guī)格要求也越來越嚴(yán)格?！?/p>

但也存在一些限制。為關(guān)鍵元件實現(xiàn)更加嚴(yán)格的控制和測試是合理的，但卻不可能為每種零部件都實現(xiàn)同樣的控制，因為成本實在太高了。

但每個零部件都必須滿足標(biāo)準(zhǔn)。因此工具供應(yīng)商和他們的元件供應(yīng)商必須在測試程度和成本之間找到平衡。Sekiguchi 說：“這是一種互相關(guān)聯(lián)的成本。如果你真的嚴(yán)格控制每個組件，那這種經(jīng)濟模式就會崩潰。”

元件供應(yīng)商嘗試提供最好的解決方案，但一般而言他們并不清楚他們的產(chǎn)品在實際過程中會遇到的確切條件或配方。有時候芯片制造商和工具供應(yīng)商并不想向他們的供應(yīng)商披露自己的關(guān)鍵知識產(chǎn)權(quán)。

這種傳統(tǒng)業(yè)務(wù)方法的一個弊端是當(dāng)一個零部件故障時，供應(yīng)商對于它不符合要求的原因可能毫無頭緒或只有些模糊的感覺。合作是顯而易見的解決方案。為此，各方都必須更多地參與到產(chǎn)品開發(fā)流程中。

合作面臨的難題在于各方需要共享 IP。共享基本零部件的 IP 很簡單。但對于工藝腔等更關(guān)鍵的元件的 IP，公司會謹(jǐn)慎得多。

為了解決這些問題，行業(yè)必須找到一個讓人樂意的中間程度。Sekiguchi 說：“必須要有一個平衡。你必須在你分享的信息量和你分享的信息類型之間找到平衡。”

在芯片制造商向更先進(jìn)的節(jié)點遷移時，元件將需要更加嚴(yán)格的特性描述和測試。但具體的實現(xiàn)方式還不清楚。

SEMI 戰(zhàn)略計劃高級經(jīng)理 Paul Trio 表示：“到目前為止，在如何測量各種元件和子元件的缺陷以及如何報告結(jié)果上，行業(yè)還沒有達(dá)成一致?！?/p>

以 O 形圈為例。O 形圈是一種在兩個或多個零部件之間密封接口的小物件。每種晶圓廠工具都有幾種不同的密封件類型，包括那些用于蓋子、端口和窗口的密封件。但每家密封件供應(yīng)商都在開發(fā)專有產(chǎn)品。因此，每家供應(yīng)商的產(chǎn)品都有不同的專有的數(shù)據(jù)，沒有什么可以用來測試或封裝這些東西的標(biāo)準(zhǔn)方法。

Applied Seals North America 首席執(zhí)行官兼 SCIS 聯(lián)合主席 Dalia Vernikovsky 說：“問題是為蒸汽機發(fā)明的規(guī)格也是當(dāng)今這些密封件所使用的一樣的規(guī)格。這里面是有問題的。也就是規(guī)格并不存在?！?/p>

許多其它類型的元件也有類型的問題，需要標(biāo)準(zhǔn)。所以在 2013 年，SEMI 和其它公司機構(gòu)發(fā)起了 SCIS。除了主要的芯片制造商，Applied Materials、ASMI、ASML、KLA-Tencor、Lam 和 TEL 以及一些元件供應(yīng)商都是 SCIS 的成員。

圖 3：SCIS 的參與公司，來自 SEMI

SCIS 的目標(biāo)是讓芯片制造商、工具供應(yīng)商和零部件供應(yīng)商聚到一起，敲定“由對工藝至關(guān)重要的元件所引入的缺陷的測量基準(zhǔn)”。

SEMI 的 Trio 說：“事實上，前兩年用在了為密封雜質(zhì)制定測試方法上。SCIS 已經(jīng)擴展到了其它關(guān)鍵元件。”

今天，SCIS 已有 8 個工作組，分布在以下領(lǐng)域：腔室、氣體運輸、液體運輸、泵、射頻發(fā)生器、密封件和閥門。第 8 個組是可追溯性驗證組（Traceability Verification Group），他們正在開發(fā)一個“信息交換模型（Information Exchange Model）”。這涉及通過云為晶圓廠中的潛在問題提供可追溯性數(shù)據(jù)。

圖 4：SCIS 的組織結(jié)構(gòu)，來自 SEMI SCIS

到目前為止，這個組已經(jīng)在幾個方面取得了進(jìn)展?！斑@取決于我們討論的元件的類型。行業(yè)應(yīng)該全部參與到更簡單的元件上，比如閥門、泵、密封件、輔助設(shè)備區(qū)域和消毒?！?Applied Seals 的 Vernikovsky 說，“沖淋噴頭等元件可能被認(rèn)為對 IP 敏感，可能需要更長的時間。IP 上的顧慮可能會讓我們無法實現(xiàn)目標(biāo)，但許多子元件已經(jīng)有某種類型的定義了，并且得到了所有人的一致贊成?！?/p>

標(biāo)準(zhǔn)是有價值的，原因有很多?！靶袠I(yè)標(biāo)準(zhǔn)會很重要，能提供一致的參數(shù)讓用戶比較相似的零部件和評估性能差異。”SEMI 的 Trio 說，“芯片制造商和工具供應(yīng)商可以參考這些指標(biāo)規(guī)范，以確保他們的供應(yīng)商或潛在供應(yīng)商是以同樣的方法測量的。這樣做讓用戶可以比較相似的零部件、評估性能表現(xiàn)的差異和選擇最適合他們的目標(biāo)工藝應(yīng)用的元件。”

圖 5：SCIS 的活動狀態(tài)，來自 SEMI SCIS

其它解決方案

合作、標(biāo)準(zhǔn)和測試方法向正確的方向邁出了一大步，但也存在其它解決方案。

如果出現(xiàn)了一個問題，通過測試晶圓廠的每個元件來找到問題是不現(xiàn)實的。“在我看來，你的解決方案很快就會變得完全無法解決。”Coventor 的 Fried 說，“要找到任何一個可能的缺陷出現(xiàn)的地方，你很快就會招架不住?！?/p>

所以晶圓廠不僅要能找到工具的問題，還應(yīng)該從晶圓的角度來看待這些問題。Fried 說：“如果我從晶圓的角度來看任何給定的工藝操作，肯定會有某些特定類型的缺陷、有缺陷的材料、不同的缺陷大小和缺陷位置。那基本上就描述了任何給定步驟的每種缺陷。其中一些是致命的，一些則不是?！?/p>

通過觀察晶圓，晶圓廠就可以借此來解決問題。他說：“你無法同時應(yīng)對宇宙里的每一個問題，而且還給它們配置同等的資源。你必須首先解決會致命的缺陷，然后你再去處理那些較低層次的缺陷。你必須考慮生產(chǎn)制造方面，然后你才能理解這個由元件、子元件和材料構(gòu)成的龐大系統(tǒng)?！?/p>

為此，芯片制造商可以選擇幾條不同的路。其中之一是使用仿真技術(shù)來預(yù)測潛在的問題。通過對工藝建模，芯片制造商可以減少硅學(xué)習(xí)周期和開發(fā)成本。

另一種方法是工具監(jiān)控（tool monitoring）。在工具監(jiān)控中，晶圓廠加工的是裸晶圓。然后會有一種檢查工具來確定一臺給定的晶圓廠設(shè)備是否是晶圓上缺陷的根本原因。如果是，就將該工具下線并進(jìn)行評估。