改善Fab良率地最佳方案設計

1、實用標準文檔 改善Fab良率的最佳方案 作者：Bruce Whitefield, Manu Rehani 和 Nathan Strader, LSI Logic Corp 2005-12-28點擊：1302 很久以來，定期檢測每個工藝步驟增加的缺陷來驗收用于生產(chǎn)的設備， 已經(jīng)成為半導體業(yè)的慣例。對設備的缺陷狀況做出的判斷，對于器件的良率有非常重要的影 響。不論這種檢測的頻率和影響如何，就采用的方法而言，是相對粗糙的，而且這種數(shù)據(jù) 支持系統(tǒng)主要是針對工程缺陷分析和傳統(tǒng)的靜態(tài)工藝控制（SPC技術而設計的。 本文介紹LSI Logic采用最佳的設備控制方法，采用新的數(shù)據(jù)系統(tǒng)來改進其晶圓廠的設 備顆粒

2、缺陷控制。這種方法調(diào)研了設備缺陷驗收的整個企業(yè)過程，建立了一個新的數(shù)據(jù)系統(tǒng) 構(gòu)造來支持所有人在這方面的努力。這種新的數(shù)據(jù)系統(tǒng)叫作Yield DRIVER，它意味著通過 設備的明顯改進而實現(xiàn)缺陷的降低。 良率和生產(chǎn)率 IC制造工廠利潤率中最高的兩個杠桿因素是芯片的良率和設備的生產(chǎn)率。對以上兩者 都非常關鍵的是如圖1所示的簡單的設備顆粒驗收檢測。檢測顆粒是為了保證產(chǎn)品在交付之 前工藝設備不會產(chǎn)生降低良率的缺陷檢測當步工藝前后點檢片上顆粒的數(shù)量，來計算增加的 缺陷 數(shù)量。 Tut . Pm Pact. Measure umider tent r CalcuUl* nddnd panic lai 圖|

3、在晶圈加工前盾挫行顆粒船收檢測，來確定 邊步工藝增加的缺陷數(shù) 像半導體制造中的許多其他動向一樣，器件幾何尺寸和運轉(zhuǎn)晶圓廠費用的無情壓縮，都 在推動設備顆粒特性的改善和更緊的控制。結(jié)果之一便是如何進行缺陷檢測的確切細節(jié)已經(jīng) 變得非常關鍵，同時這個過程還要足夠簡單，使操作人員能夠每天來進行。 2002年，在LSI的Gresham晶圓廠里，出于新技術導入和良率經(jīng)濟效益的考量，要求 設備的顆粒水平降低 50%并且這種改善要在現(xiàn)有設備的基礎上實現(xiàn)，要避免基建投資，改 善總體的設備利用率而不增加成本。更換舊的工藝設備、購買更先進的顆粒檢測設備不作為 選項。授權一個工廠范圍內(nèi)的缺陷控制職能交叉小組來完成這個

4、任務。 降低缺陷的途徑 這個缺陷控制小組決定首先來分析整個工廠范圍內(nèi)現(xiàn)存的設備缺陷控制方法，以發(fā)現(xiàn)改 進的機會。分析的主要發(fā)現(xiàn)是： 許多非常好的顆粒管理實例已經(jīng)在使用之中。 缺陷測量和計算的已知最佳方案（BKMS并沒有在所有的測試中都貫徹實施。 缺陷測量和控制的 BKMs并沒有在所有的設備中都貫徹實施。 晶圓廠中的人并不是均等地擁有缺陷測量和結(jié)果分析的能力。 經(jīng)理們對于自己負責的設備，僅僅報告檢測、維持缺陷性能的狀況是不夠的。 缺陷數(shù)據(jù)系統(tǒng)主要是針對工程分析，而不是針對生產(chǎn)缺陷控制而設計。 簡而言之，人們發(fā)現(xiàn)缺陷控制的知識和財富已經(jīng)存在于這個組織中，但是并沒有把這些 知識均衡地應用，在做一件事

5、情時沒有把所有的已知最佳方案結(jié)合起來。 這個缺陷控制小組認為：要完成缺陷降低的任務，最有效的方法，就是推動迅速徹底得 在所有工藝中實施已經(jīng)存在的最佳實踐案例， 同時提供一個基礎來支持高效、 一致地運用這 些案例。 如果它是BKM那為什么不采用呢？ 小組第一步是鑒別和記錄缺陷控制的BKMs在回顧這些最佳個案時發(fā)現(xiàn)，似乎一些步 驟，由于組織上、程序上或者基礎上的原因，很難實施或者不能在所有情況下實施。 人們經(jīng)常說：大部分問題的起因是缺乏溝通。這對于設備缺陷的控制過程的確是正確的。 用如圖2所示的工作流程方塊圖很容易描繪出這種情形。 圖2在這牛橫陷控劇過 的麥北超出了這牛小姐 的耽杖范圍，因此*熱

6、撓的基本結(jié)構(gòu)億綢做出 方法（process ）、系統(tǒng)基礎（system infrastructure）和組織現(xiàn)實（ organizational realities ），存在于相互關聯(lián)但又相互隔離的平面內(nèi)。要取得成功，設備缺陷控制過程必 須在這所有三個維度上都采取措施。比如，顆粒監(jiān)控的第一步，可能要求刻蝕操作工（組織） 通過追蹤制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES中的點檢片，來遵循設備驗收的規(guī)范（方法），但是下一步 可能要求良率操作工（組織）通過使用缺陷分析軟件（系統(tǒng)）來遵循分析規(guī)范（方法）。顆 粒監(jiān)控的實際工作應該是完美地貫穿于所有這三個方面。如果任何一個方面的要求沒有達 到，那么這種方法就崩潰了，導致低效

7、率的、重復性的過程，或者這種方法的使用不足。 為了改進設備缺陷的控制實踐，這個小組不得不考慮整個工作流程空間。重大的組織變 更超出了這個小組的職權范圍，但是方法卻必須要遵循已知的最佳案例。這意味著，系統(tǒng)基 礎必須做出調(diào)整來提供一個充滿活力的工作流程。 組織方面 這個Fab的組織架構(gòu)是一個工藝區(qū)域和職責紀律相交的矩陣，這是很多晶圓廠的典型情 況。這個組織的實際情況是，其基礎架構(gòu)不能提供報告和數(shù)據(jù)總結(jié)，以便及時提醒fab中各 個獨立區(qū)域中負責各種紀律的經(jīng)理們，以及負責特定區(qū)域的生產(chǎn)主管們。 基礎架構(gòu)必須支持的典型的組織矩陣和不同焦點，如圖3所描述。 如果陪訓資料和規(guī)范沒有包含 BKM方法的話，這會

8、導致職員的陪訓不足和視野狹窄，從 而造成另外一種形式的組織斷裂。 的實際情況，要求組織基礎和架構(gòu)支持BKM在每個工藝區(qū)域中執(zhí)行。在會議上通過與工藝經(jīng) 理、設備負責人、生產(chǎn)主管和全體職員討論來鑒別BKM它們被收錄在兩個 BKM文檔中。第 一個是缺陷控制參考文檔(DCR，為工藝負責人提供一個設計最佳缺陷控制方案的模板。 DCF包括了針對于特定工藝的最佳實踐案例，比如： 記錄點檢過程中必須要檢測的感興趣的缺陷(DOI, defect of interest)。 確定并且檢測生產(chǎn)中晶圓經(jīng)過設備的所有通路。 選擇能夠代表生產(chǎn)過程的測試方法。 第二個BKM文檔的目標是執(zhí)行缺陷控制方案以及建立整個fab的缺

9、陷控制標準。56個 確認的最佳案例可以分解為三個執(zhí)行層次，如下： 層次1:基礎，注意和責任人 層次2:擴展BKM 層次3:缺陷降低和成本優(yōu)化 每一個BKM都要仔細定義和研究，理解如何貫徹執(zhí)行它們。這種分析用來定義支持基礎 需要具備的能力。并不是每一項措施都需要基礎架構(gòu)的變化，尤其是在第一個層次，因此應 該并行地實施BKM和架構(gòu)改進。為了推動執(zhí)行和判斷障礙所在，缺陷控制小組在每周的會議 上，與制造、設備維護、和工藝模塊一起，回顧D CR計劃和執(zhí)行層次的進展情況。 基礎架構(gòu)方面 隨著BKM勺建立和組織需要的確定，要對基礎架構(gòu)進行調(diào)整，以便使缺陷控制措施能夠 有效地完成?；A架構(gòu)需要分解為三個范疇：

10、 參考文書 培訓資料 最佳案例（BKMS 感興趣的缺陷（DOI） 失控時的行動方案（OCAP 數(shù)據(jù)系統(tǒng) BKM支持功能 性能標準和報告 使用標準和報告 工具 監(jiān)控成本優(yōu)化的計算 DCR計劃模板 DOI模板 本文的焦點是數(shù)據(jù)系統(tǒng)的研發(fā)，但是需要注意的是， 沒有基礎架構(gòu)中其余的部分，就不 能有效地貫徹執(zhí)行。 數(shù)據(jù)系統(tǒng) 針對缺陷監(jiān)控已經(jīng)建立的方法是，從每一次的檢測中取得顆粒增加的數(shù)量，將其加入到 SPC控制圖中。先進的 SPC系統(tǒng)采用的方法：比如解決非正態(tài)分布問題的估計權重移動平均 圖（EWMA，用于改進對于缺陷暴發(fā)的監(jiān)測。這是一個非常好的方法，但是在實際應用中由 于數(shù)據(jù)中噪音的緣故會有一定的局限性

11、，會忽略掉一些有用的信息，比如空間分布，以及缺 陷分類。更重要的是，這個工作流程必須要能夠推動工藝前后的檢測和數(shù)據(jù)分析中BKM勺應 用。雖然擁有一個高級的在線SPC系統(tǒng)，但是在回顧了設備點檢使用的情況后，大家認為， 把SPC圖表功能添加到缺陷分析系統(tǒng)中，要比為SPC圖表系統(tǒng)研發(fā)缺陷分析能力更加有效。 在線上缺陷分析中，經(jīng)常使用高級的軟件工具?，F(xiàn)存的缺陷數(shù)據(jù)分析軟件中，KLA-Te ncor 的Klarity ，是為在線檢查數(shù)據(jù)的工程分析而設計的，它為有經(jīng)驗的用戶提供了強大的，交 互式功能。不幸的是，它在處理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，需要管理信息系譜，將測試結(jié)果與特定的工藝區(qū) 域、工藝類型、設備、子設備，最后與

12、測試時間聯(lián)系起來時，其能力有一定的局限性。為了 滿足這種鏈接的需求，以及滿足監(jiān)控處理、測試結(jié)果的特定組織報告的需求，我們決定設 計一種新的用戶界面，使用戶能夠進入已經(jīng)存在的缺陷數(shù)據(jù)庫以及其他的數(shù)據(jù)庫，以便能夠 以簡單易用的界面對設備缺陷進行控制。這個新的界面叫做Yield Driver 。 Yield Driver 設計時將BKM嵌入到系統(tǒng)功能中，這樣就能夠支持設備缺陷控制工作中 的特別需求。這樣，最好的方法也變成了最容易的方法。 測試數(shù)據(jù)的關聯(lián) 要實現(xiàn)支持BKM需要的功能之一便是：能夠連貫地將測試前后的顆粒檢測結(jié)果，與工 藝區(qū)域、正在進行的測試、以及正在檢驗的設備的部件關聯(lián)起來，以便能夠準確

13、地計算正在 檢驗的工藝或者設備對于顆粒的貢獻。在一個擁有120個操作工和工程師，需要檢測180臺設備，工藝步驟超過 300的fab里面，這不是一個簡單的數(shù)據(jù)管理問題。 通過把點檢晶圓批應用于每項檢測中，利用工廠的MES系統(tǒng)控制這些點檢晶圓， 數(shù)據(jù)關 聯(lián)就能夠?qū)崿F(xiàn)自動化，但是這就要求 MES系統(tǒng)要有新的功能，并且需要增加點檢晶圓的用量。 更實用的方法是，讓用戶將剛剛測試得到的數(shù)據(jù)關聯(lián)起來，圖4給出了顆粒檢測、 以及如何 收集關聯(lián)缺陷數(shù)據(jù)的流程圖。通過一個圖形用戶界面來完成數(shù)據(jù)關聯(lián)，在這個界面中，用戶 從下拉菜單中確認要進行的檢測（圖5）。 Yhtld D R iV E R GUI D111 Of

14、t dVE R QU) 1 Wafar F low 文案大全 圖 收集缺跆數(shù)搐.將其與工藝區(qū)城.測就.或及設備提聯(lián) 起來的方注* 15.散舞收鶴用的有下拉篥單的倒 形用戶靠面 下一步是選擇檢測前后的測試。通過限定時限選擇剛剛使用過的點檢晶圓批， 系 統(tǒng)會給出很少的備選數(shù)據(jù)提示， 通常只有一個正確的待選數(shù)據(jù)。在后測試完成后，從這個列 表中，通過如圖6所示的圖形用戶界面，用戶將正確的前、后數(shù)據(jù)關聯(lián)起來。 Post Measurement Details M1 Lrl Ifr;MkI Atffp H r y7iia 3 t c 3 Prw Measurement Details $埒止確的荊.后測試

15、敎攫垃暈與設備關 利用已有的測試設備和數(shù)據(jù)庫， 將顆粒數(shù)據(jù)與被檢驗的工藝、 設備關聯(lián)起來，這是一種 簡便有效的方法。這種方法還支持將以前的檢測結(jié)果作為下一次檢測的初始數(shù)據(jù)，這樣就節(jié) 約了檢測的時間。 深入挖掘 分析 從工藝區(qū)域開始數(shù)據(jù)選擇，以便與fab組織機構(gòu)相一致。主要的圖表屏幕提供了交互式 的深入分析功能，設計用來支持設備缺陷檢測。 每個層次縮小了數(shù)據(jù)的選擇范圍 （如表所示） 一旦需要的數(shù)據(jù)被選中（如圖 7）,它能夠用圖表列出需要的任意時段。 DhN-Dowrt Hararehy DesccipikNi Area rue oraaruaon respon$t)k n -Im- r 11 口

16、nr? m i mTfH tlTtludirAiTEl riiirii it rlri iwvi nn 1 1311 U Hrt 1 Hit II1IHM IliElT 1 OwwNbcI P(hh( Unlf to bijypnwnt Htrw汛 CCAPS DCP e DOl Sub七創(chuàng) Logtnd Ccntol Lirr r Nolt/ Tod Owner 田？中選擇的數(shù)搓的SPC分忻. 口E* 良上%色辰孑ii EufWit State lnd金PC芒海FD. JLt； fw/JD； ALL; 口 圖1斗按照工作理來排列的缺陷怪能.讓翌理們能夠音劃一牛區(qū)城 樂的結(jié)果.確定敏哩的工藝。

17、這個交豆式的報昔還支特深入挖掘分析 圖 15給出的報告是用來監(jiān)控組織機構(gòu)針對缺陷數(shù)據(jù)是如何利用和進行反映的。它給出out of control的比例（00），沒有評注的比例，以及沒有復查的比例（兩小時之內(nèi)）。經(jīng)理們 使用這個報告來發(fā)現(xiàn)變化：有多少數(shù)據(jù)點被排除于計算之外，有多少晶圓圖沒有被復查分類。 為了持續(xù)改進，00應該保持在5%到10%因為00是使用的控制限的函數(shù)，零不良意味 著規(guī)格太松， 而過多的不良則意味著規(guī)格太緊，導致工藝的頻繁停機。 Yield Driver Chart Trend*： Afw THIN flLMS；ALL； Sgts.這個國最總依怪腿的回嫌，表明y超規(guī)格的比例.有寥

18、歩救據(jù)點 數(shù)排除于計算之外有參少嵌is圖投肓被復直分類. 結(jié)果 主動的缺陷控制工作帶來的是整個 fab缺陷密度超過50軸勺下降。同時，還有故障前平 均檢測30%勺增加，這在改進設備正常動轉(zhuǎn)時間上起了很大的作用。 缺陷控制的成果對于 良率的總體影響，最好是通過對于量產(chǎn)晶圓的在線缺陷檢測來估 量。圖17給出了致命缺陷密度的變化趨勢圖，其來源于工藝流程中 20點在線自動檢測的數(shù) 據(jù)。這個趨勢與晶圓電學測試得到的良率改善情況相一致。其他公司聚中精力控制設備缺陷 不良率后，也報道了類似的結(jié)果。 NORMALIZED IN-LINE KDD TREND 占rtccQAu上*=x Wtflks B17按照在察檢測的箱杲得出的總體的良率夥有 自動疊加計算缺陷增加量的計算方法，還帶來了其他的收益：使得在監(jiān)控時可以使用具 有高起始顆粒缺陷的晶圓，同時又