300mm晶圓廠架構(gòu)的比較分析

1、300mm晶圓廠架構(gòu)的比較分析：制程設備對于晶圓成本和動態(tài)效能的影響B(tài)yRobertBachrach,MarkPool,KarenGenovese*,JCMoran,AppliedMaterials,Inc.;MichaelD.O'Halloran,ThomasJ.Connolly,IDC介紹半導體晶圓廠是一個非常復雜的制造環(huán)境，具包含250至300種制程機臺，需執(zhí)行50至60種不同制程步驟。在深入設計和興建新的晶圓廠前，芯片制造商需要做許多面向的考量，因為設備的選擇會影響晶圓廠的面積、成本、生產(chǎn)效率和最終產(chǎn)品成本。一座300mm晶圓廠的成本大約20億美元，其中制程設備的采購和安裝架設

2、(facilitization)就占了16億美元；對于一座每月投產(chǎn)30,000片300mm晶圓的晶圓廠，它的每年生產(chǎn)成本約6.78億美元，不包括制程設備或其它設施的運轉(zhuǎn)成本。本文將說明300mm晶圓廠模型的建立和仿真，并利用邏輯組件處理流程來探討如何讓制程設備發(fā)揮最大成本效益和生產(chǎn)效率。制造模型的建立方法應用材料和IDC目前正共同合作以發(fā)展300mm晶圓廠的制造模型為目標，這項計劃將運用雙方的知識和經(jīng)驗來描述晶圓廠營運成本的假設。首先是定義制造模型的假設和需求、制造流程和目標晶圓數(shù)量，此計劃定義的300mm晶圓廠在2002-2003年間的每月最大產(chǎn)量為30,000片晶圓，所仿真的制程為0.15

3、微米、7層金屬雙或刻銅邏輯組件，采用典型的晶圓廠準則，包括產(chǎn)出、周期時間和利用率目標。第一階段是關于各種運轉(zhuǎn)策略，包括錯誤容忍率和整體平衡(linebalance),另外還有在相同機臺上面執(zhí)行多項步驟的方式，它會決定機臺利用率和設備調(diào)度的優(yōu)劣取舍。圖1是為晶圓廠建立仿真模型的主要步驟。圖1:晶圓廠成本分析的模型建立方法我們根據(jù)以下假設來設定工廠模型和設施規(guī)劃的邊界條件：1 .典型量產(chǎn)制造設施的錯誤容忍率和整體平衡策略。2 .自動化材料處理系統(tǒng)（AMHS）,模型發(fā)展已包含晶圓儲存柜的傳送和使用。3 .配合成熟制程常見處理的量測步驟。4 .符合FOUP的晶圓盒和無塵室設計，每個晶圓盒可容納25片晶

4、圓。其它關于晶圓廠的一般性假設為：穩(wěn)定生產(chǎn)時的平均晶舟周期時間應在18至24天之間，也就是4至6倍的理論周期時間制程機臺的平均利用率應在40%左右，總利用率約60%瓶頸機臺應是微影設備，以及其它利用率超過80%之制程機臺晶圓廠的WIP水準名在800至1,500個晶舟之間。使用靜態(tài)制造模型的設備數(shù)量完成這些定義后，即可利用靜態(tài)產(chǎn)能制造模型來執(zhí)行第一回的設備數(shù)量調(diào)整，可供選擇的兩組設備都能滿足目標制造要求。確定產(chǎn)品制造流程后，就可以開始評估設備種類和數(shù)量，然后選擇一組合適的機臺。機臺選擇的判斷準則需要很高階的技術能力。根據(jù)所指定的每月30,000片晶圓產(chǎn)能，我們利用靜態(tài)產(chǎn)能模型來協(xié)助決定最初所須的

5、機臺數(shù)量，所參考的標準包括每套機臺的處理容量、制程時間需求、維修時程規(guī)劃和其它輸入信息。離散事件仿真和機臺數(shù)量調(diào)整在半導體產(chǎn)業(yè)，離散事件（動態(tài)）仿真模型常被用來分析晶圓廠內(nèi)以時間為基準的作業(yè)行動，例如產(chǎn)品運送和制造程序時間。周期時間和利用目標提供一個架構(gòu)，可用來決定是否需要增加或減少機臺；從靜態(tài)產(chǎn)能模型的結(jié)果出發(fā)，先執(zhí)行動態(tài)仿真至穩(wěn)定狀態(tài)，然后根據(jù)報告結(jié)果來調(diào)整機臺數(shù)量。應用材料的TurboModules離散事件仿真工具被用來精確決定機臺需求，并驗證目標周期時間、WIP和機臺利用率。成本制造模型假設完成制造流程定義、設備和相關生產(chǎn)力資料搜集和確認、設備選擇、晶圓廠規(guī)模等各種信息的驗證和修訂后，

6、即可將這些資料輸入成本制造模型，并由專家詳細檢查這些成本制造模型資料。以下是成本制造模型的各種輸入資料：1）制造流程和設備選擇2）設備成本，不是指平均銷售價格，而是市價3）材料成本，包括制程耗材在內(nèi)，例如光阻、研磨液、制程氣體和光罩4）300mm晶圓成本，每片晶圓500美元5）保守的全新晶圓廠設施成本估計：廠房面積11,500平方公尺，基本興建費用2.2億美元，特殊設備和系統(tǒng)另外需要9,900萬美元6）晶圓廠商每周運轉(zhuǎn)時間168小時，采四班制7）設備可用率（equipmentavailability）以60%為目標各種技術的成本分配此處將說明各種成本分配，包括組件結(jié)構(gòu)、設備資金成本和制程技術成

7、本的分配。根據(jù)組件結(jié)構(gòu)的處理成本-最初的成本分配顯示，金屬化所占比例最高，達到總成本的43%,其次是占31%的前段結(jié)構(gòu)，300mm晶圓的成本比重也很大，占25%（圖2）。M1-M743%Wells3%WaferLDDGate2%5%nContact9%ActiveArea6%圖2:各種組件結(jié)構(gòu)的處理成本設備資金和設施建置成本（FacilitizationCost）-微影所占的比例最高，因為它的平均成本約是其它300mm制程機臺的三倍（圖3）。RTP/DifftisionWettchcpPVD_B%8%DCVD7%Metrology4%-MCVD；1%DryEtch/Strip9%Lithogr

8、aphy39%Implant2%2%ECP圖3:按照制程分類的設備資金成本分配（包括金屬化），其中微影的比重最大各種技術的制程成本分配-除了最初材料成本（$500）之外，微影占總晶圓制造成本的比例最大（$522或26%）。微影程序是由24個光罩步驟組成，包括光阻處理和光罩成本，微影步驟的材料成本約是各制程步驟平均材料成本的三倍（表1）。FabAreaNo.ofStepsAverageCostperStepTotalFabrkatioiiCost%orTotalCostLithography24$21.77$52226CMP10$17.86$179gPVD8$10.51$344MCVQ2$8,6

9、4$171RTP/DifTuEion19$&58$1255DCVD35$532$18610ECP7$5.24$372DryEtch/strip32$4.12$1327Implant10$3.75$372WetEtch52$1.71$395Metrology435116$503表1:各種技術的處理成本分配由于雙嵌刻步驟在后段制程出現(xiàn)七次，因此導線金屬化占制造成本的比重最大（$850或43%）。金屬化包括微影、DCVD、蝕亥ij、PVD、ECP、CMP和量測步驟，七層金屬的處理步驟就超過制程步驟總數(shù)的50%（表2）。EquipmentFamilvDescriptionNo.ofStepsP

10、hoto175BackEndLithoqraphv8CMP55，CoddsfCMP7CLow-k58.5TeosFSGDeposition13Photo1.2FrontEndLithoaraohv6TF59PVDBarrier&Seed7Photo17FrontEndLithography2PhotM3FrontEndLithoqraphy4OxTF51.6PETEOSDeposition14Photo1,8GateLitlioaraohv1DrvEt14BackEndEtch10Cu56ECPCopper7Photo1.25BackEndLithoqraphv2FronendEtch

11、4NitTF51.5SiNDeposition6表2:七層導線的金屬化步驟占處理步驟總數(shù)的一半以上兩組設備選擇的成本比較為提供不同的比較基礎和結(jié)果，因此發(fā)展了兩組模型基于不同設備組合，以下是兩種情形的依循準則。第一種情形：盡可能使用應用材料的機臺RTP系統(tǒng)取代擴散爐管（diffusionfurnaces）把電鍍和回火程序整合在一起離子植入只使用兩套系統(tǒng)：一套高能量/中等電流系統(tǒng)和一套高電流、低能量系統(tǒng)對于某些制程步驟，第一種情形會細分成多組整合設備，包括：超淺層接面（高電流植入和RTP回火）介質(zhì)（SiO2）沉積/蝕刻，用來制造銅導線阻障層-種晶層沉積/銅電鍍/CMP,用來制造銅導線第二種情形的

12、依循準則如下：IDC使用基本設備組合，包括下列傳統(tǒng)的三系統(tǒng)植入設備若有可能，即應使用批次作業(yè)的擴散爐管另一種（非應用材料的）雙嵌刻順序仿真結(jié)果為提供一致的計算基準，兩個團隊都使用FactoryCommander成本模型，它可對整座工廠執(zhí)行高階成本分析，以決定特定晶圓廠的估計晶圓成本。設備資金成本差異圖4兩種情形的設備資金成本差異，并以第一種情形為比較基準，其中制程設備和設施安裝的最大資金成本差異出現(xiàn)在干式蝕刻/清洗制程；從圖中可看出，情形1可節(jié)省6,500萬美元，因為它的蝕刻機臺提供較高產(chǎn)出和較低設備成本。stt3c££-a名。一£五匹FabArea圖4:兩種情形

13、的設備資金成本差異。第一種情形的干式蝕刻和清洗成本遠低于第二種情形第二個主要差異出現(xiàn)在RTP/擴散制程，第一種情形能節(jié)省1,000萬美元是因為銅金屬化制程的回火處理已整合至電鍍系統(tǒng)，第二種情形則是在另一個擴散爐管中執(zhí)行回火步驟；雖然第一種情形的化學電鍍系統(tǒng)總資金成本比第二種情形的電鍍系統(tǒng)多120萬美元，但它的ECP系統(tǒng)已整合回火處理，第二種情形卻需要單獨的回火爐管以及相關維修和設施成本。微影：第一種情形的前段與后段微影機臺是由一個實體阻障層所隔開，保護前段機臺避免銅污染，閘極則使用專屬微影機臺，這兩項因素使它需要一套額外機臺，也造成790萬美元的成本差異。CMP:第一種情形的產(chǎn)出較低，因此需要

14、兩套額外的機臺，這使得七層金屬處理的資金成本多出950萬美元。雖然如此，此研究所使用的CMP產(chǎn)出和成本都是當時的雙嵌刻制程暫估值，此制程在研究結(jié)束后又已變得更成熟，因此目前的資金成本已大幅改善。各種技術的制程成本差異圖5是不同制程技術下，第一和第二種情形的每顆晶圓處理成本差異，其中最大差異來自干式蝕刻和清洗處理；在第一種情形中，干式蝕刻和清洗設備的每顆晶圓平均成本比第二種情形低20%0其次則是介電質(zhì)CVD處理，雖然第二種情形的設備成本比第一種低8%,但第一種情形的機臺卻提供30%更高產(chǎn)出，故仍占有成本優(yōu)勢。FabArea圖5:第一和第二種情形在各個技術下的處理成本差異各類晶圓的單位成本差異第一

15、種情形需要277套機臺，第二種則需要299機臺，因此前者的運轉(zhuǎn)與維護、設備折舊和人力成本都較低（表3）。系統(tǒng)總需求：第一種情形為277套機臺，第二種為299套每顆晶圓成本：第一種情形為1,959美元，第二種為2,054美元，每顆晶圓相差95美元；經(jīng)過一年的生產(chǎn)后（360,000顆晶圓），總差異將累積至大約3,400萬美元。資金投入：第一種情形為1,630,901美元，第二種情形為1,707,600美元第一種情形的所須機臺較少，因此運轉(zhuǎn)與維護、設備折舊和人力成本都較低ProductionOperatingCostSummaryCase1CategoryCost(x$1,000)Case2Cate

16、goryCost(x$1,000)DifTerenceDepreciation:Oper.aMalnt/Labor:Materials;TotalProduction:$286,323979,869$40,7g5$299,272$705,267S300.6G3$95,060$43,780S299t7®2$739,286$15,340$16,191$2,985$504$34,019WdfereOutfyear:CostperWaferCapitalInvestment($x1,000)360,000$1,959$1,630,901360,000$2,054$1,707,600$96$7

17、6,699表3:按設備分類的每顆晶圓成本差異，第一種情形的資金成本較低7,700萬美元晶圓廠產(chǎn)能擴大的成本比較利用模型研究所得資料，兩個團隊還進一步探討在不做額外設備投資的前題下，把晶圓廠產(chǎn)能從30KWSPM150nm七層銅邏輯組件擴大至40KWSPM的影響；仿真結(jié)果顯示每顆晶圓的成本會降低，在第一種情形為285美元（1,959至1,674美元），第二種情形則為282美元（2054至1772）。周期時間對于制造也很重要，圖6是兩種情形在30KWSPM基準產(chǎn)能下的比較，第一種情形的周期時間為17.5天，比第二種情形的19.5天還快2天。等到將產(chǎn)能增至30KWSPM后，第一種情形的周期時間約為19

18、.9天，比原先增加14%;第二種情形則增加至22.8天，增幅約為17%。CYCLETIMEIMPACTEDBYINCREASINGSTARTRATES24.00220020.00ie.oo-16.0014.0012.0010.00Scenario130KWSPMScenario240KWSPM圖6:設備不變時，使用30kWSPM和40kWSPM生產(chǎn)模型的生產(chǎn)周期時間比較結(jié)論此研究的主要目標是由應用材料和IDC使用一種共同模型建立技術，仿真在兩種不同情形和各個制程技術條件下，晶圓廠設備資金成本和生產(chǎn)制造成本。第二個目標是了解在不增加或只增加很少機臺的情形下，把產(chǎn)能從30kWSPM擴大至40kWSPM的經(jīng)濟效rfiio研究結(jié)果顯示，隨著技術的不同，這兩種情形會存在很大的資金成本差異，從干式蝕刻機臺的6,500萬美元最大差異，一直到電鍍機臺的約略相等；整體而言，第一種情形所須