芯片短缺難題遲遲未得到緩解,半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈正在尋求創(chuàng)新的解決方案來解決這一問題,并致力于提高效率,延長設(shè)備壽命。
從汽車、物聯(lián)網(wǎng)和消費電子領(lǐng)域,到芯片制造和測試設(shè)備,芯片短缺幾乎影響了全球供應(yīng)鏈,芯片制造工具和設(shè)備因缺芯延遲安裝交付,上游材料也面臨供應(yīng)不足的情況,包括氣體、KrF光刻膠、CMP漿料,甚至不銹鋼。目前,這些問題仍無法輕松解決,而且這些上游原材料與芯片制造設(shè)備及工具,與芯片制造的全部流程都相互關(guān)聯(lián),因此僅在一個領(lǐng)域擴充產(chǎn)量并不能解決所有問題。測試儀、光刻膠濾光片和封裝基板,以及任何用于直接處理這些晶圓的設(shè)備和材料短缺,都將會導(dǎo)致ASIC短缺。
“除了具有極長交貨周期的FPGA之外,ATE還使用了許多定制ASIC,這些ASIC必須爭奪晶圓廠產(chǎn)能,”泰瑞達(Teradyne)戰(zhàn)略業(yè)務(wù)開發(fā)經(jīng)理Ken Lanier指出?!拔覀兒芫靡郧熬蛯ι嫌尾牧鲜袌鲞M行了積極的投資,保證供應(yīng)鏈安全,努力為客戶提供合理的交貨時間?!?/p>
然而,人工智能、機器學(xué)習(xí)、數(shù)字孿生體等新興技術(shù)的發(fā)展,將會進一步改善晶圓廠封裝協(xié)調(diào)、快速識別良率問題、穩(wěn)固供應(yīng)鏈,并為半導(dǎo)體行業(yè)在人才短缺的環(huán)境中提供優(yōu)質(zhì)工具,助力產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)卓越增長。
TEL總裁Nate Baxter指出,該公司將數(shù)字工具納入芯片設(shè)計、工藝設(shè)備和計量(虛擬和硬件)流程,并解釋了這些工具如何在公司創(chuàng)新中心使用,例如在其位于紐約州奧爾巴尼的美國研發(fā)、制造和工具集成總部。該公司在創(chuàng)新中心執(zhí)行EUV光刻、FEOL、BEOL和用于封裝的異構(gòu)集成,TEL設(shè)備目前利用超過15,000個傳感器來實現(xiàn)更快的過程診斷、先進的過程控制和數(shù)據(jù)分析。
圖1:為了實現(xiàn)行業(yè)增長預(yù)測,晶圓廠正在采用能夠提高良率、生產(chǎn)率和智能制造的技術(shù)(圖源:TEL、SEMI ISS)
在最近的先進半導(dǎo)體制造大會(ASMC)上,幾場演講都討論了在晶圓廠中使用機器學(xué)習(xí)和人工智能來提高良率、工具性能和運營效率。在工具級別,高級建模正在改進流程、庫存管理和元件利用率。例如,在晶圓加工工具中,特定元件的生命周期可以根據(jù)工藝溫度、化學(xué)特性和其他因素而變化。
“在客戶與客戶之間、工具與工具之間以及工具內(nèi)元件的位置之間,半導(dǎo)體工具在工藝條件方面都存在很大差異。這些因素都會顯著影響零件的可靠性。例如,兩個氣動閥,一個暴露在惡劣的環(huán)境條件下,另一個在同一工具內(nèi)的既定環(huán)境條件下運行,可能具有不同的使用壽命,”泛林集團(Lam Research)的可靠性工程師Swajeeth Panchangam解釋道。
泛林集團為元件生命周期開發(fā)了一種新的可靠性模型,在這種情況下,該模型確定了相同的 O 形圈,相對于較低的工藝溫度下,進行較高溫度工藝時可以可靠地減少40%的晶圓。Panchangam 指出,這樣的模型可以幫助工程師更好地規(guī)劃所需的庫存,并根據(jù)實際組件建模安排預(yù)防性維護。
在某些情況下,工程師會大幅修改其工藝,以提高良率和所生產(chǎn)芯片的質(zhì)量,這對延長組件壽命具有可喜的好處。例如,由于電感耦合等離子體刻蝕機中的空氣分子污染導(dǎo)致位線刻蝕不完整,美光的300mm存儲器工廠正面臨著客戶退貨。
“我們開發(fā)了一種新的連續(xù)等離子體工藝(CPP)刻蝕,消除了幾個刻蝕步驟之間的穩(wěn)定壓力,并改進了無晶圓腔清潔(WCC),以消除系統(tǒng)性的良率偏移,并避免了客戶在這種故障機制中重復(fù),”美光技術(shù)人員Jeff Ye表示。
最大限度地提高元件和工具的可靠性
由于晶圓遇到的各種工藝條件,組件生命周期建模很難執(zhí)行。
“對于如何使用現(xiàn)場數(shù)據(jù)模擬半導(dǎo)體組件的壽命,需要一個系統(tǒng)的指南。”泛林集團的Panangam指出,在估算組件的壽命時,工程師通常使用經(jīng)驗?zāi)P?。問題是這些往往是保守的,通過不必要的更換縮短了組件的使用壽命,并且由于更頻繁的零件更換和系統(tǒng)停機時間而增加了成本。他還表示,卓越的生命周期建模能夠在需要時優(yōu)化預(yù)防性維護和庫存。
“我們提出了一個使用現(xiàn)場數(shù)據(jù)的模型,隔離故障模式,并理解引發(fā)根本故障的物理原理,”Panagam表示。“我們確定新應(yīng)用程序的操作條件,并查看故障機制是否正在改變或保持不變?!?/p>
現(xiàn)有工藝具有腐蝕性的工藝化學(xué)性質(zhì)和溫度,新工藝中在較高溫度下進行。隨機模型可估計新工藝溫度下的壽命分布。使用成本函數(shù)來確定O形圈更換的最佳時間。(工程團隊報告了更換零件的處理時間(以小時為單位),即使實際跟蹤了加工的晶圓數(shù)量,以保護客戶的數(shù)據(jù)。Panangam的團隊確定故障模式(由于化學(xué)侵蝕而導(dǎo)致的O形圈磨損)是相同的,但O形圈的最佳使用壽命為2500小時,而在此前較低的工藝溫度下為4000小時。結(jié)果有助于為該過程安排適當(dāng)?shù)腜M間隔,并保持足夠的零件庫存。“現(xiàn)在,當(dāng)我們必須對組件進行調(diào)用時,模型和成本函數(shù)將指導(dǎo)生產(chǎn)環(huán)境中的潛在更換,”Panagam表示。
圖 2:最佳更換周期基于隨機建模、故障模式和動作的可靠性分析以及成本函數(shù)(圖源:Lam Research、SEMI ASMC)
圖3:RPC替代從4000到2500小時(晶圓設(shè)備),通過基于場數(shù)據(jù)的更高熱量負(fù)載
(圖源:Lam Research、SEMI ASMC)
刻蝕機遠程等離子清洗套件中的O形圈磨損
生命周期模型、成本函數(shù)提供O型圈更換時間,可靠性工藝工程師偶爾會確定現(xiàn)場故障是由系統(tǒng)性工具問題引起的。第二個示例顯示了如何重新設(shè)計現(xiàn)有流程以解決現(xiàn)場故障,從而顯著提高流程吞吐量并降低零件更換成本。
在其位于弗吉尼亞州馬納薩斯的DRAM工廠,美光在300mm ICP刻蝕機上開發(fā)了一種新的連續(xù)等離子工藝,并采用了改進的無晶圓腔室清潔 (WCC)。該公司經(jīng)歷了一些存儲設(shè)備故障,這些故障集中在晶圓中心。工程團隊假設(shè)這些缺陷可能是由于在等離子 DC 偏壓未開啟時碎片從 ICP 蝕刻噴射器落到晶圓上造成的。
“多年來,我們一直在努力通過各種工藝改進來解決這個問題,但我們決定引入連續(xù)等離子體工藝的想法,以及一種新的無晶圓腔室清潔(WCC)來永遠解決這個問題,”美光的Ye表示,他在SEMI最近的ASMC上介紹了新工藝。
空氣中的分子污染問題導(dǎo)致不必要的工具停機(更換經(jīng)過重新設(shè)計的噴射器),但最重要的是,客戶設(shè)備會退回。集成的多步驟刻蝕和腔室清潔有大約20個步驟。對于新工藝,Ye的團隊使用300mm素晶圓進行在線表征和探針,使用SEM / EDX識別污染物,并使用TEM來檢查位線CD測量和輪廓。美光決定實施連續(xù)等離子體蝕刻工藝,因為修整刻蝕、硬掩模1、2等之間的穩(wěn)定性步驟會造成污染。
“就像冰箱一樣,關(guān)閉再打開也無濟于事,等離子刻蝕室也是如此,”Ye指出?!斑@導(dǎo)致了連續(xù)等離子體工藝 (CPP),以及無晶圓清潔從低壓等離子體到高壓等離子體的變化,以激活等離子體中的更多自由基,從而實現(xiàn)卓越的碳氟化合物去除。WCC 由三個步驟組成——侵蝕性等離子蝕刻、O2 燃燒,然后是電介質(zhì)調(diào)節(jié)步驟以涂覆腔室,”Ye 表示。“我們調(diào)整了內(nèi)外氣體噴射器的比例,以更好地清除噴射器壁上堆積的碎屑?!?/p>
最終的工藝配方參數(shù)調(diào)整導(dǎo)致位線刻蝕曲線均勻。美光的結(jié)果表明,良率提高了 1%,由于原始加工時間縮短了 8%,刀具良率大幅提高,良率偏移導(dǎo)致的刀具停機時間減少,降低了ICP蝕刻機的新型和返工氣體噴射器成本。
“現(xiàn)在我們不需要經(jīng)常更換噴油器,良率偏差更少,位線控制和輪廓更出色,并且避免了客戶的退貨授權(quán),”Ye指出?!拔覀儗堰@種新的、最著名的方法轉(zhuǎn)移到先進的技術(shù)節(jié)點上?!?/p>
圖4:晶圓中心污染引起未完成的刻蝕出現(xiàn)存儲位線缺陷(圖源:Micron、SEMI ASMC)
圖5:改進的位線剖面圖是連續(xù)腔等離子刻蝕、優(yōu)化離子注入和優(yōu)化晶圓刻蝕前工藝調(diào)節(jié)(圖源:Micron、SEMI ASMC)
圖6:新工藝消除了蝕刻步驟之間的穩(wěn)定過渡,并優(yōu)化了WCC以清潔更多副產(chǎn)品,從而延長部件壽命
(圖源:Micron、SEMI ASMC)
總結(jié)
人工智能日益滲透至半導(dǎo)體芯片制造流程,通過使用多個工具傳感器估算組件壽命和診斷的新模型,能夠改善良率問題。從工具到晶圓廠級別的工程解決方案將結(jié)合更先進的建模、機器學(xué)習(xí)和反饋機制,以更快地解決問題,并保持工具和晶圓廠生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的設(shè)備。
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原文標(biāo)題:如何構(gòu)建芯片可靠性模型?
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