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全新 FabVantage 服务改善设备性能

By Roman Mostovoy, PhD

随着器件变得更小,封装更密集,集成电路日益复杂,缺陷降低也变得更难,但仍然是芯片制造商保持竞争力的关键。晶圆代工厂、存储器件和逻辑器件制造厂需要一套方法、多样化的技能和专业化的工具来有效降低缺陷水平,同时最大程度减少对生产的干扰。应用材料公司 FabVantage™ 咨询团队推出了全新的缺陷降低服务,提供专业化的方法、工艺专业知识、数据分析技术和诊断仪器来简化根本原因的识别过程。

最大程度减少生产晶圆的缺陷数量是晶圆制造厂保持生产效率和竞争力的关键。理解缺陷降低流程,对于成功实施并验证纠正措施至关重要。要实现 14nm 技术节点及更小器件所要求的个位数缺陷数量,制造厂家必须采取结构化方式开展根本原因侦测和纠正工作,除了一流的度量、检测和分析外,需要利用缺陷知识库、广泛的设备设计和工艺专业知识,以及已知最佳做法 (BKM)。

缺陷降低并非一项“一劳永逸”的工作。无数因素都会造成缺陷,包括硬件配置和部件整洁度、工序和参数设置、运行和维护程序、校准以及系统软件。这些因素会以不同程度影响各个晶圆制造厂,即使它们采用相同的工艺。这些差异造成了各个晶圆制造厂都有自己特定的缺陷类别,其在类型上可能相似,但根本原因却不同,有时还有多个根本原因。例如,造成缺陷式偏移事件的故障模式可能与造成每片晶圆上原生缺陷的根本原因有所不同。结果是,诊断造成缺陷或偏移的根源会是一项耗时耗力的工作,涉及预防性维护 (PM)、部件更换、硬件校准和配方微调,可能连续数天打乱生产计划。

缺陷降低方法

鉴于每种缺陷情形都是独特的,要快速发现根本原因就有赖于以结构化的方式在每项调查中运用相同的步骤(见图 1)。应用材料公司 FabVantage 咨询团队与公司的工艺部门及现场支持人员合作,开发了一套减少缺陷的系统方法,已有效用于改善基准性能、降低缺陷失控 (OOC) 事件发生率、缩短 PM 操作恢复时间,并延长平均清洗时间间隔 (MTBC)。

图 1. 通过合适的方法确定缺陷及根本原因,是制定纠正措施的关键第一步。

一般情况下,技能娴熟的工程师利用 FabVantage 360™ 评估,在无图样的监控晶圆(基准)上对当前系统性能开展初始基准衡量(见图 2)。基准衡量根据多个指标测量设备的性能,并将其与 BKM 及业内最佳水平进行比较。这项评估可体现总体的性能差距,并支持对解决方案进行优先性排序,对益处进行量化。在评估的单位制程环节,对配方、颗粒表现以及故障侦测和分类 (FDC) 的实施进行评分;这些数据成为图 2 所示评估步骤的基础。在数周内定期运行监控晶圆,以捕捉随时间变化的缺陷机制。因为运行监控晶圆通常是晶圆制造厂标准程序的组成部分,收集这一数据并不会明显减少加工设备的正常运行时间。

图 2. 应用材料公司 FabVantage 缺陷降低方法的评估步骤用于识别根本原因;客户随后可选择由团队实施纠正措施并保持改善后的设备性能。

FanVantage 专家利用常规的和专业化的工具来获取缺陷增加数量及其在晶圆上的图样。然后,根据晶圆数量和关键事件将这些数据集绘制成图表,进而帮助制作帕累托图,显示导致缺陷的各个特定因素的相对权重(见图 3)。

图 3. 设施状况、设备、材料以及部件清洁度是造成设备基准性能中的高缺陷的主要原因。

如果缺陷帕累托图显示 PM 是重大权重因素,则使用专业化的工具开展 PM 诊断。晶圆制造厂的多个腔室将接受检测,以确定关键腔室组件和进料部件上的颗粒分布密度,验证湿法清洗程序与应用材料公司 BKM 的符合情况,收集与 PM 相关的系统关键常量,并验证机械手校准数据。此外,如观察到硬件故障迹象,则对硬件进行故障排查。如果帕累托图显示当前运行的制造工艺是主要的权重因素,则还要对所用制造工艺进行诊断。

一旦生成了设备特定的缺陷帕累托图,获取基准运行性能, FabVantage 团队就会编制项目特定的改进“路线图”(见图 4)。缺陷首先按照位置、尺寸、外观和构成进行分类。然后对每类缺陷进行分析,分析时结合运用检测与分析技术;团队成员对设备和工艺的透彻知识和经验;客户特定的因素;以及旨在评估不同缺陷源的权重情况的实验。根本原因的识别,是所有这些因素相结合的共同 结果。

图 4. 如本例所示,缺陷降低“路线图”以对缺陷成因的权重为顺序系统化解决缺陷问题。(资料来源:应用材料公司)

一旦找出了设备缺陷帕累托图中最大权重因素的根本原因, FabVantage 团队就会提议解决这些根本原因的实施方案。如果晶圆制造厂同意该方案,则纠正措施可能涉及改进硬件、工艺、PM 或改进其中几个方面。纠正措施的有效性通过一轮确认运行来验证,该轮运行按照与初始基准评估相同的方式收集数据,并对数据进行分析研究以确保达成实施方案的目标。由此可生成体现性能改善后的新缺陷帕累托图,成为新的生产基准,并作为未来缺陷降低的路线图。经过确认运行验证后,相同的纠正措施将在晶圆制造厂所有受影响的设备上实施。根据晶圆制造厂业主的愿意,可由 FabVantage 团队成员持续监控其运行。

有效性已经过验证

以上方法已在多种情景中运用并验证,我们在此重点介绍其中一些情景。

减少颗粒数量

在一个案例中,根据设备基准性能生成的缺陷帕累托图表明,晶圆两侧所见颗粒主要来自设备本身。调查图像、度量和设备运行实验揭示,根本原因是晶圆转移/搬运设备中所用的材料。它们通过以下方式生成了大量缺陷:

  • 由于晶圆长期接触设备的粗糙表面,表面退化,形成颗粒,产生研磨作用,并进一步生成更多颗粒。
  • 设备材料相当坚硬,或强力附着于晶圆,导致晶圆背面发生刮擦。
  • 不导电的材料通了电,因为无法释放电荷,造成静电吸引/排斥效应,进而生成更多带电颗粒。
  • 由颗粒产生的晶圆滑移,其发生原因是没有对摩擦进行优化处理。

因此,要减少缺陷,就需要替换设备受影响部件所用的材料。新的机械手手臂、起模销钉、基座和起模顶杆改用了更光滑的导电 材料,其硬度低于硅,并具有低附着/高摩擦属性。图 5 显示了通过这些硬件升级措施实现的性能 改善。

图 5. 实施硬件升级后,缺陷表现得到大幅改善。(资料来源:应用材料公司)

增加正常运行时间

另一个案例处理了膜内缺陷随时间增加的问题,该问题导致缩短了腔室 MTBC 和设备正常运行时间。对设备性能做基准衡量后,膜内监控缺陷帕累托图显示 Si/O 和 Si/O/Al/F 是主要的缺陷。对多个腔室其中一条输气管组件开展的详细检测和故障分析表明,这些缺陷在输气管的孔口和导孔上累积,其原因可能是腔室清洗期间 AlF 或 O 类源自由基回流。此外,源自由基也可能与残留水气发生反应,生成氧或臭氧自由基,造成 SiO 颗粒凝聚。

这一问题通过修改工艺配方得以纠正。首先,在清洗期间往输气管输入氦气,并在所有反应气体导入和传输期间保持输气管内的正值氦气流,从而减少自由基向相应输气管的回流。其次,进行长时间的惰性气体清洗,以消除低压状态下工艺腔室的逸气现象。完成两轮长时间运行来评估缺陷降低措施的表现:在基准状态下加工 2,000 片晶圆和用新配方加工 4,000 片晶圆。在后一轮运行中,抑制了主机的逸气风险并改善了缺陷表现(见图 6 和 7)。

图 6. 实施缺陷降低措施前后的缺陷帕累托图的比较结果表明,Si/O/Al/F 和 Si/O 缺陷分别改善 10 倍和 2 倍。(资料来源:应用材料公司)

图 7. 实施缺陷降低措施前后的膜内缺陷数量比较。(资料来源:应用材料公司)

增加两次清洗间的平均晶圆加 工量

还有一个例子涉及使用清洁度控制法来减少缺陷数量,增加正常运行时间和两次清洗间的平均晶圆加工量。清洗不充分往往导致生产延误,工艺腔室需要经过多轮清 洗/泵送才能通过缺陷评定。这种情况下,基准性能帕累托图显示远程等离子源是造成晶圆缺陷的主要子系统之一。相应地,评估重点放在从不同清洗供应商收到的远程等离子源部件的缺陷表现上。

对腔室和主机不同清洗剂的补充式评估表明,用去离子水 (DI) 和 DI/异丙醇混合物加湿来擦拭,能同样有效地使表面颗粒减少 10 倍,从大约 2,500 个缺陷/平方英寸减至大约 250 个缺陷/平方英寸。但是,在这一步之后,用另一种专业溶剂做第二道擦洗能进一步提高清洁度(<50 个缺陷/平方英寸),如图 8 所示。这个两步程序使 PM 和 PM 后的恢复时间缩短一半以上,从 48 小时降至 20 小时,通过延长设备的正常运行时间提高了生产效率。

图 8.工艺腔室清洗前后的表面颗粒侦测结果。(资料来源:应用材料公司)

总结

应用材料公司 FabVantage 咨询团队开发并成功证明了一套减少缺陷的方法,运用结构化的方式快速实施纠正措施。客户随后可选择让团队持续监控生产设备,以保持改善后的性能水平。这套减少缺陷的方法通过缩短停机时间并提高晶圆制造厂的良率和产出而加快了产量攀升过程。

作者感谢 Suketu Parikh 的协助。

欲知详情,请联系
roman_mostovoy@amat.com