成品率管理走向环保之路

作者：David W. Price, Douglas G. Sutherland 和 Kara L. Sherman; KLA-Tencor 公司

在半导体业界，作为全新半导体厂建设工作的一部分，半导体厂一直领先于建造能源与环境设计先锋 (LEED) 认证的建筑^[1]，并与供应商合作，以便能直接减少半导体厂中使用的日常资源。

当集成电路制造商寻求更加具有创造性的方法来减少对环境的影响时，他们借助先进工艺控制解决方案来降低报废率和返工率，从而减少半导体厂的资源消耗。具体来说，半导体厂通过升级工艺控制解决方案以获得更高产能，并增加额外的工艺控制步骤；这两项措施降低了报废率以及每个合格芯片的净资源消耗（图1）。

图1. 提升半导体厂环保绩效的基本公式包括减少资源使用，并提高成品率。要实现这两个目标，需要有得力的工艺控制解决方案，以帮助半导体厂及早发现工艺问题，从而降低报废率和返工率。

改善工艺控制绩效

工艺控制是用于发现工艺偏移，提供必要数据以便工艺工程师制订量产晶圆处置决策，并采取必要的纠正措施来纠正工艺问题。

例如，在光刻图案成型工序之后，如果显影后检测(ADI)数据表明图案成型晶圆上存在大量的桥接缺陷，光刻工程师就可以采取多项纠正措施。除了将受到影响的晶圆发回光刻制程返工以外，工程师还可以将光刻相关设备停止生产，以解决导致对成品率至关重要的桥接缺陷的潜在工艺问题。这种快速纠正措施能减少受到影响的和可能报废的材料数量。

然而，此项措施若要有效，工艺控制测量的质量至关重要。如果某项检测或量测工具的捕获率较低，或者总测量不确定性(TMU)较高，那么它可能会错误地标识某项偏移（误报），将晶圆发回进行本无必要的返工，从而导致额外的能量和化学品消耗，并产生额外废品。反之，如果测量未能发现真正的工艺偏移，则产品成品率会受到负面影响，且有更多芯片报废，从而导致环境绩效不尽人意。

图2的示例对比了光刻制程中两种不同量测工具所生产的工艺控制数据造成的环境影响。通过采用更高质量的量测工具，可提升工艺控制数据的质量，并且光刻工程师能够作出更好的工艺决策，从而使光刻制程减少 0.1% 的不必要返工。这样的减少返工让 100k WSPM 半导体厂能够节省大约 50 万度电和 240 万升水——此外还能成比例地减少光阻剂和清洁化学品的消耗量。

图2. 更高质量的工艺控制工具会在光刻制程内产生更好的工艺控制数据，从而能够减少 0.1% 的不必要返工，改善环境绩效。

通过实现增加成品率和降低报废率，很多半导体厂已经对其工艺控制系统进行了能力升级。为了进一步促进环境绩效，半导体厂可以通过以全新方式使用这些工艺控制系统生成的数据，并从中获益。

传统上，量测系统产生的数据已被应用于反馈回路。例如，先进的套刻量测系统能够发现图案成形错误，并将信息反馈回光刻机及相关系统，以改善未来批次的图案成型。很多设计节点都已经开发出这些反馈回路并进行了优化。但是，将量测数据前馈至（图3）一个或多个未来工艺步骤也会是非常有用的^[2]。在调整制程设备的时候考虑未来批次的已知变量，可以减少导致晶圆的报废。

例如，图案晶圆量测系统可以在诸如刻蚀和化学机械抛光 (CMP) 等工艺后测量晶圆形状，并可反馈结果数据，以帮助改进上述工艺。但是，晶圆形状数据也可被前馈至光刻机，以改善图案成型 ^[3-5]。同样，可以从光罩厂使用光罩偏移量测数据来监控光罩的出料质量，但它也可被前馈至光刻机，以帮助减少与光罩相关的图案成型错误源。使用前馈和反馈控制回路的智能组合，连同整个半导体厂的综合量测方法，可以帮助半导体厂减少变数，并最终获得更好的工艺结果，从而降低返工率和报废率。

图3. 多条数据回路有助于优化整个半导体厂的工艺。多个设计节点存在已有的反馈回路（蓝色），这些回路可检测工艺变量，并对其进行补偿。全新的优化反馈回路（绿色）可提供工艺变化的提早检测。创新的前馈回路（橙色）使用量测系统测量源变量，然后将该数据前馈至随后的工艺步骤。

及早发现偏移可减少浪费

半导体厂还能通过增加工艺控制步骤来减少工艺偏移。图4 显示了在半导体生产厂部署检测站点的两个例子。在第一例中（左图），检测点设置为在模块开始和结束时做检测，其间有四个工艺步骤。如果某个工艺偏移导致第一项检测后立即出现成品率损失，那么在检测出偏移之前，晶圆将经过多道工艺步骤，并且许多批次被误加工。在第二例中（右图），将仅隔两道工艺步骤之遥就设置检测点。这样可以提前两天检测出首个检测点后发生的工艺偏移，就会有迅速得多的纠正操作，以及少得多的成品率损失和材料浪费。

此外，在第 1 例中，四道工艺步骤中的制程设备都必须撤出生产线；在第 2 例中，只有一半的制程设备必须撤出生产线。在 100k WSPM 半导体工厂内检测工艺偏移的两天 Δ 变量测试中，10% 的成品率影响就可节约大约 30 万度电、3700 升水，并减少 3500 公斤废品。尽管这些环保利益是通过增加工艺步骤采样实现的，但通过增加晶圆的采样位置、提高每批晶圆的采样率，或者增加采样批次，也能更早地实现偏移检测，并改善环境绩效。当对风险以及成品率损失相关成本的仔细分析与增加采样的成本之间达到平衡时，就能获得最佳采样策略^[6-7]。

图 4.  对生产线增加额外的检测点时，如果在首个工艺步骤后出现偏离，就会减少有风险的材料消耗。

结论

随着半导体制造商越来越重视环境绩效，成品率管理成为协助降低半导体厂环境影响的一个关键工具。通过实施更高质量的工艺控制工具、结合反馈和前馈控制回路、优化工艺控制采样，以及加快学习周期，半导体厂能够收获诸多环保效益。综合工艺控制解决方案不仅能够帮助集成电路制造商提升成品率，而且还能减少报废率和返工率，降低半导体厂对环境的总体影响。

参考文献

1.       范例：

a.       https://newsroom.intel.com/news-releases/intels-arizona-campus-takes-the-leed/

b.       http://www.tsmc.com/english/csr/green_building.htm

c.        http://www.ti.com/corp/docs/manufacturing/RFABfactsheet.pdf

d.       http://www.globalfoundries.com/about/vision-mission-values/responsibility/environmental-sustainability-employee-health-and-safety

2.       Moyer, “Feed It Forward (And Back),” Electronic Engineering Journal（电子工程杂志），2014 年 9 月。 http://www.eejournal.com/archives/articles/20140915-klat5d/

3.       Lee 等人，“Improvement of Depth of Focus Control using Wafer Geometry,” Proc. of SPIE（国际光学工程学会学报），第 9424, 942428 卷，2015 年。

4.       Tran 等人，“Process Induced Wafer Geometry Impact on Center and Edge Lithography Performance for Sub 2X nm Nodes,” 第 26 届国际半导体设备材料产业协会 (SEMI) 先进半导体制造大会，2015 年。

5.       Morgenfeld 等人，“Monitoring process-induced focus errors using high resolution flatness metrology,” 第 26 届国际半导体设备材料产业协会 (SEMI) 先进半导体制造大会，2015 年。

6.       “Process Watch：Sampling Matters”（采样问题），Semiconductor Manufacturing and Design（半导体制造与设计），2014 年 9 月。

7.       “Process Watch: Fab Managers Don’t Like Surprises”（半导体厂经理们不喜欢任何意外），Solid State Technology（固态技术），2014 年 12 月。

8.       “Reducing Environmental Impact with Yield Management”（用成品率管理来减少经济影响），Chip Design（芯片设计），2012 年 7 月。

作者简介：

David W. Price 博士、Douglas Sutherland 博士和 Kara L. Sherman 女士分别是 KLA-Tencor 公司的高级总监、首席科学家和总监。在过去 10 年间，这支团队一直与 50 多家半导体集成电路制造商直接合作，帮助他们优化整体检测策略，以实现最低总成本。此系列文章试图对他们在这些工作中观察到的一些普遍经验进行总结。