skip to main content

腔室匹配降低全机组可变性

保持工厂的高成品率和高产出

By Kevin Sannes

工厂的高成品率和高产出是半导体器件制造厂财务绩效的基石,而增 强工厂运营绩效的关键机制在于全机组所有腔室的性能匹配。但是, 先优化一个“黄金”腔室的运行参数,然后在整个机组内复制,这个 过程看起来直截了当,实际却已成为先进晶圆制造厂面临的最大难题 之一。苛刻的匹配要求、多重图案带来的变异、工艺配方的复杂性以 及三维结构,这些因素使实现并维持大型腔室机组的性能匹配成为一 个难题。

应用材料公司 FabVantage 咨询 团队开发并成功展示了一套腔室匹配 方法,精简了匹配流程,缩短了找到 问题根源的时间。纠正措施得以快 速确定,停机时间减少,生产率得以 提升。

匹配需求

随着晶圆技术缩小至 28 纳米以 下,新的趋势正在影响器件制造的效 率。例如,多重图案组合被用于拓展 当前的光刻技术。双重图案正在向四 重图案转变。以前的工艺流程是先光 刻再刻蚀,而如今的多重图案涉及一 系列光刻、刻蚀和间隔层沉积工序, 每道工序都在整个机组中引入了工艺 变异,造成临界尺寸 (CD)、刻蚀深 度或对准的差异。因此,晶圆制造厂 每个系统的每个腔室在每项工艺中都 按指定规格运行便至关重要。

向三维器件的转变也影响了在先 进节点实现匹配的需求,因为三维器 件的制造大幅增加了工序,这也增加 了在生产过程中出错的风险。例如, 3D NAND 阶梯堆叠须沉积数十层电 介质(图 1);前面某一层中出现即便 是纳米级极微小的沉积不均,也会在 后续每一层中不断放大。还有,浅沟 槽隔离和 3D NAND 应用中所用的刻 蚀工艺配方变得极其复杂,有时涉及 80 多道工序。由于配方时间长、腔 室产出低,产量巨大的制造厂在单项 工艺应用中可能需要 50 多个腔室。 同样的问题也影响 DRAM 刻蚀,因 为器件密度的增加导致了深宽比和配 方复杂度的增加。


图 1. 3D NAND 阶梯。

匹配难题

腔室匹配要求深刻了解设备设计 和工艺应用。成功的匹配需要分析影 响晶圆性能的大量变量,识别对性能 影响最大的那些变量,优先处理根本 性的问题,并采取必要的纠正措施。 随着尺寸缩小,对 CD 的匹配要求更 加苛刻,匹配过程也变得极其困难。

在早期节点上,典型的匹配目标 是将各个腔室的产出差异控制在 5% 之内;而在先进节点上,匹配目标 已变成黄金腔室平均值的 ½–1σ 之内, 一般大约只有几埃。这种性能水平要 求非常严格的控制和持续的性能监控。

解决腔室间失配问题的复杂性 意味着制造厂的工程师需要面面俱到 地了解各个系统以及其历史和环境。 但是极少有人掌握如此全面的知识。 多个具有潜在影响力的参数会在一个 给定的生产系统中汇聚,包括各个部 件和容差、腔室的配置、运行和维护 程序、工艺参数设置(气体、压强、 温度等)、常规维修服务、校准方法 以及系统软件。此外,批次间 (R2R) 控制通过即时调整运行中的配方参数 来弥补工艺变异,掩盖了腔室间失配 问题的根本原因,从而进一步增加了 复杂性。

要找到失配的区域并展开调查很 容易,但找到根本原因却往往变成一 个试错过程,这牵涉到开展预防性维 护 (PM) 作业、硬件校准、配方精调、 部件更换、以及优良腔室与失配腔室 之间的部件交换。

寻找并解决腔室间失配问题的根 本原因,需要耗费大量时间和人力; 机器停机也会造成生产瓶颈。晶圆制 造厂的管理者们往往规避这问题,将 失配的腔室限制在较次要的工艺中, 或者虽然明知产品并未达到最优,却 依然运行失配的腔室。

系统的匹配方法节省时间和 成本

为应对全机组腔室匹配的复杂问 题,应用材料公司 FabVantage 咨询 团队与工艺部门及现场人员合作,开 发出了一套利用数据收集、硬件和工 艺审核以及多层面分析方面的专业技能 和知识的方法。这套方法使该团队得 以高效地集中解决失配问题的根本原 因,减少停机时间,并提高匹配度。 他们的方法已成功证明能节省时间和 人力,并在客户的现场有效地解决失 配问题。目前为止,这套方法主要应 用在刻蚀上;但该方法也适用于半导 体制造的全套工艺。

图 2 总结了 FabVantage 的方法。 技能娴熟的工程师使用 FabVantage 360 评估系统开展当前系统性能的初 始基准衡量,然后利用专业硬件和软 件工具开展硬件和工艺的全面审核。 一旦了解了全机组中的硬件变异,就 开展工艺敏感度试验来确定每个硬件 组件如何影响晶圆性能。工艺敏感度 和硬件变异分析的结果用于确定工艺 变异,并对造成失配的主要原因进行 排序。按照该排序,先后采取纠正措施 来解决问题。纠正匹配问题后,最后 阶段的工作重点是利用监控来执行 PM 以及控制最主要的原因来维持腔 室匹配。


图 2. 应用材料公司的 FabVantage 腔室匹配分析方法缩短了锁定根本问题的时间。

实施结果

两个具代表性的项目表明 FabVantage 这套方法的流程和有 效性。第一个项目的目标是对开展 2x 纳米级 DRAM 生产的 16 个刻蚀腔 室进行 CD 值和槽深的匹配。团队对 一项高产产品每个腔室的月均 CD 值 做了跟踪记录;客户对此产品的要求 是实现腔室间 CD 范围低于 4Å。

FabVantage 团队首先对 R2R 控 制的影响做了量化,来识别目标腔室 和异常腔室。他们选中一组腔室开展 了全面的硬件审核,然后以客户的产 品配方为基准条件,对产品晶圆开展 工艺敏感度试验。工艺敏感度测试分 析找出了影响 CD 值和槽深的 10 大参 数(图 3)。最后,工艺变异分析明确 表明,质流控制器 (MFC) 流量和无 线射频 (RF) 线性度的校准不当是造 成失配的主要根本原因(图 4)


图 3. 工艺敏感度测试找出对 CD 值和槽深产生最大影响的参数。


图 4. 工艺差异分析确定纠正措施的优先顺序。

对系统开展的纠正工作还显示另 外两个起作用的因素,即背面氦气的 间断性尖峰流量和 ESC 温度校准的 非优化。于是,所有腔室都安装了背 面氦气罐升级套件,以消除氦气输送 问题,另外,团队还建议采用应用材 料公司的已知最佳做法 (BKM) 提高 ESC 温度校准的准确性。

除了进行上述审核和数据分析以 外,团队还从调查的腔室中收集了传 感器数据和晶圆数据,并对这些数据 组做了合并和关联性分析,以确定是 否有工艺变异以外的因素也造成腔室 的失配(图 5)。这些分析揭示了 PM 变化和槽深的间断性偏移,且槽深与 BARC 刻蚀工序中的峰间电压关联。 FabVantage 团队对观察到的第三方 PM 服务问题给出了建议。


图 5. 传感器与晶圆数据之间的关联识别工艺变异之外造成腔室失配的因素。

FabVantage 团队收集了 30 天 的 CD 数据,以监控所有纠正措施 的有效性。去除 R2R 控制效果后, 计算结果表明,CD 范围从 22Å 改 进为 12Å(图 6a)。随后,通过将这 一改进与 R2R 控制相结合,实现了 客户将全机组 CD 范围控制在 4Å 之 内的目标(图 6b)。


图 6. (a) 改进后的腔室匹配加上 (b) R2R 控制使 CD 范围从 22Å 降至客户要求的 <4Å 目标。

在第二个项目中,FabVantage 团队运用了同样一套方法。其中, 客户的腔室有 18% 不符合 2x 纳米 级技术节点的 CD 规格。CD 值不仅 失配,而且在连续的 PM 事件中前 后偏移。

在这个案例中,工艺变异分 析找出了造成失配的主要原因,即 ESC 温度校准、RF 源、压强和关键 气体流量。ESC 温度校准得以纠正, ESC 温度核实加到了维护清单中, 以确保监控持续进行。CD 偏移被确 认为是因原位腔室清洁配方非优化 造成的;FabVantage 团队建议实施 应用材料公司的多步骤 BKM 清洁配 方来解决这一问题。图 7 显示运用 FabVantage 的方法成功解决了 CD 失配和偏移问题。


图 7. 左侧显示的腔室间 CD 值变异和 PM 周期中 CD 值偏移问题通过腔室匹配方法和 BKM 得以解决。

总结

降低一个机组中不同产品晶圆间 的变异是晶圆制造厂提高生产率的关 键。随着晶圆技术缩小至 28 纳米以 下,腔室匹配难题正变得更加棘手。 为保持优化的生产率,晶圆制造厂、 存储器件和逻辑器件制造厂需要一套 分析方法、多样化的技能和专业化的 工具来实现全机组匹配。通过利用应 用材料公司雄厚的知识储备、在设备 和工艺方面的广博经验,以及行之有 效的 BKM,FabVantage 团队在客户 的现场成功证明了其分析方法能使执 行复杂制造工艺的刻蚀腔室间实现匹 配,从而也证明了其有效性。该团队 将一如既往地与客户合作,为更广泛 的应用解决腔室匹配问题。

欲知详情,请联系 kevin_sannes@amat.com