如何快速提高產品良率

1、如何快速提高產品良率現(xiàn)在的半導體制造要求比過去任何時候都要高。為了滿足市場的需要，半導體公司必須能夠更及時和以更低的成本大批量生產更復雜的產品。為此，客戶要求制造商能夠采用全新的良率管理方法，達到比以前更高的良率水平，而且能夠更快地實現(xiàn)穩(wěn)定生產。反過來，新的良率管理方法取決于更廣泛和更深入的工程分析方法，這些分析方法可以幫助半導體公司作出更加準確的判斷，更快地達到穩(wěn)定的良率。通過持續(xù)的良率“學習”，自動制造技術則可以更加有效地利用這些分析結果，它不僅可以將各種條件變化反饋給生產線而且還能及時判斷工藝條件發(fā)生變化時是否仍然可以達到預期結果，及時找到問題原因和解決問題。這些新方法并不是遙遠的概念，

2、有些先進的制造商已經在使用這些方法了。本文將簡單介紹AM必司先進的工程分析方法和自動精確制造(AutomatedPrecisionManufacturing,APM)技術，及其與客戶共同取得的成果?？焖偬岣吡悸实幕疽亓悸实目焖偬岣呤遣粩喟l(fā)現(xiàn)和解決生產過程中各種影響良率的因素，從而實現(xiàn)和發(fā)揮產品與工藝過程良率潛能的過程。實現(xiàn)批量生產、降低平均成本、最大程度提高利潤率的需求推動了良率的不斷提高。盡管通常良率學習曲線粗看起來非常平滑，實際上它是由工藝改善過程和一系列噪音以及良率異常情況疊加形成的（圖1）。圖中良率上升的每個小臺階代表了工藝不斷改善的趨勢，而向下的擺動則代表了設備或工藝不正常引起的

3、異常情況。良率提高的總體速度取決于異常情況的響應和解決速度以及工藝改善的效率。每個階段的快速進步都需要經驗豐富的工程師以及各種數(shù)據和分析結果的支持。良率學習和提高有兩種情況：根據現(xiàn)有工藝引進新產品；全新產品和工藝，例如新技術和新工藝的引進。新產品舊工藝良率提高的主要內容是找到設計方面的問題并加以解決，因為其工藝通常已通過其它產品驗證并固定下來。全新產品和工藝的情況則比較復雜，因為它涉及設計和工藝、工藝目標、設備極限能力等因素的綜合效應。此時必須將良率學習和提高分解成各個不同的要求，然后通過專業(yè)知識和相關軟件系統(tǒng)為良率提高過程的各項要求提供有效的支持和相應的解決方案。我們將在下文對快速提高產品良

4、率所需各項功能(從生產穩(wěn)定性到工藝控制能力以及對良率的預測)進行詳細的描述。提高生產穩(wěn)定性從1980年代后期到1990年代中期，IC制造工藝的監(jiān)測經歷了從紙本趨勢圖到要求更加嚴格的統(tǒng)計工藝控制(statisticalprocesscontrol,SPC方法的轉變。SPC圖表最早采用的是紙本形式，之后很快就改用電子文件并且與WIP(work-in-process)追蹤系統(tǒng)鏈接在一起，從而可以在發(fā)生嚴重異常情況時及時提供警告信息，甚至將設備鎖定在停機狀態(tài)。實際情況違反SPCB則時，系統(tǒng)會提示技術員和工程師，他們將按照失控處置措施(out-of-controlactions)中規(guī)定的方法進行處理，找

5、到造成異常情況的原因并采取正確措施進行糾正。我們必須特別注意關鍵工藝步驟的SPC圖表，將其維持在控制范圍之內，確保工藝參數(shù)符合各項規(guī)格和目標。在發(fā)展這些在線監(jiān)控系統(tǒng)的同時，AMDS開發(fā)了最早的良率管理軟件，加快對良率異常情況的響應時間，及時找到和發(fā)現(xiàn)制造過程中造成良率損失的系統(tǒng)原因。這些軟件和系統(tǒng)具有設備共同性分析、設備狀態(tài)分析和芯片空間分布位置分析等功能。用于分析的數(shù)據來自于一系列數(shù)據庫，例如WIP追蹤系統(tǒng)提供的生產線測量數(shù)據、電子檢測設備提供的數(shù)據等等。將各種數(shù)據分析系統(tǒng)的菜單統(tǒng)一之后，可以很方便地獲取各數(shù)據庫或各工廠之間的數(shù)據。該系統(tǒng)可以持續(xù)運行，對設備歷史記錄、芯片空間分布位置、不同反

6、應器之間的偏差等數(shù)據進行分析，找到引起良率異常變動的系統(tǒng)原因。通過該方法甚至可以成功地分析出造成系統(tǒng)缺陷（defect）異常情況的原因。異常變動原因的查找有助于改善工藝，但是為了確保能夠盡快發(fā)現(xiàn)異常情況，也需要有更多的在線測量設備。同時，該系統(tǒng)還能生成和保留大批量生產過程中的關鍵測量結果和設備歷史記錄信息等共享數(shù)據，作為監(jiān)測過程的參考，從而盡量縮短分析時間。這一點非常重要，特別是當分析之前由于各種原因清空了某些數(shù)據的時候。這類軟件系統(tǒng)發(fā)展很快，它可以有效地找到與設備或工藝相關的問題，但是對于與設計或測試相關的問題卻相對較弱。為了能夠分析最終測試時發(fā)現(xiàn)的器件問題，我們需要更加全面和綜合的數(shù)據庫，

7、它不僅能夠涵蓋最終測試數(shù)據，而且可以對半導體廠（Fab）和最終測試時的批號（LotID）進行比較和追蹤。如果不能追查Lot的歷史，那么對最終測試結果和半導體生產工藝進行相關性分析幾乎是不可能的。在以上需求的推動下，AM晚一了現(xiàn)有各數(shù)據庫系統(tǒng)的設計，開發(fā)了SAPPHiR改據庫系統(tǒng)。改善工藝控制能力1990年代后期，在提高器件性能和縮短市場投放時間的需求推動下，半導體加快了新產品開發(fā)的步伐和加強了對工藝過程的嚴格控制。在實現(xiàn)更加嚴格的工藝控制時，最重要的變化是從被動的SPC系統(tǒng)進一步發(fā)展到對每一步工藝過程進行主動的工藝微調和控制。通過先進工藝控制（advancedprocesscontrol,AP

8、C方法，我們可以及時糾正設備條件的漂移，更快地完成對設備的維護使其重新恢復正常狀態(tài)，甚至可以補償前一道工序造成的目標偏離。緊縮各工藝結果的分布范圍之后，我們可以使各工藝結果更加接近所需規(guī)格，得到更高的良率。現(xiàn)在已經開發(fā)出這樣的系統(tǒng)，它可以綜合考慮前后幾步工藝，使器件性能優(yōu)化，并且可以根據需求對工藝目標進行定期修改和調整。APC勺使用可以大大降低關鍵工藝步驟各參數(shù)出現(xiàn)異常情況的機率。止匕外，我們還意識到對設備本身的“健康”狀況進行更好的監(jiān)控可以使我們更早地發(fā)現(xiàn)問題，而不是在工藝上反映出來之后才知道。對設備“健康”狀況的監(jiān)測可以采用設備性能追蹤以及故障檢測和分類（faultdetectionand

9、classification,FDC軟件來完成。通過對設備傳感器提供的數(shù)據進行監(jiān)測，F(xiàn)DC可以及時發(fā)現(xiàn)偏離正常工藝條件的情況?，F(xiàn)在，APG口FDCS屬于AMD!動精確制造（automatedprecisionmanufacturing,APM大系統(tǒng)的一部分，兩者取長補短，互相補充。通過SAPPHiRE數(shù)據庫在全球半導體制造公司的全面推廣和使用，良率學習和分析的手段變得更加先進了。將各服務器和個人終端統(tǒng)一成單一的綜合系統(tǒng)之后，良率和產品工程師就可以綜合利用工藝過程中（包括前段和后段）的各種數(shù)據了。通過Lot刻號，不同廠之間就可以共享Lot歷史和“血統(tǒng)”信息了。同樣，對設備狀況進行歷史記錄可以幫助

10、我們研究設備狀況和器件性能之間的關系。除了SAPPHiR之外，還可以通過缺陷管理系統(tǒng)獲取Lot和Wafer（芯片）的缺陷數(shù)據?，F(xiàn)在，高效率的分析手段和系統(tǒng)可以從大量的原始數(shù)據中挖掘出與異常情況相關的數(shù)據，找到影響良率的系統(tǒng)原因，從而快速提高良率。例如，最終電性能測試發(fā)現(xiàn)運行速度分布異常時，可以通過設備共同性分析或其它方法找到發(fā)生問題的設備或反應器。SAPPHiREM具有這樣的功能，它可以對不同生產制造基地之間的Lot歷史和“血統(tǒng)”進行查詢。SAPPHiREE成為整合了良率分析所有相關數(shù)據的參考系統(tǒng)。隨著良率提高和異常情況控制方法的進步，還會出現(xiàn)許多新的數(shù)據充實SAPPHiRE勺功能。為了更快地

11、提高產品良率，AM五采用了更多的數(shù)據和功能，包括缺陷（Defect）和位圖（bitmap）的整合，通過網頁查看測量結果分布趨勢圖表、Lot的分析和總結、多批Lot的芯片空間分布位置分析、芯片單元（die）歷史信息的查詢、局部數(shù)據中心、光罩和設計數(shù)據相關性分析等。以下是各功能的簡單總結和介紹缺陷和位圖（bitmap）的整合AMD采用了功能強大的缺陷管理軟件（defectmanagementsoftware,DMS加強對缺陷測量數(shù)據的管理和分析，它不僅可以用于Fab生產線的監(jiān)控，而且可以進行相關性分析和研究。科學的缺陷檢查取樣策略、缺陷與位圖相關性分析等手段可以有效地達到回推原因的效果，指出影響失

12、效的缺陷類型，加快影響產品良率（包括存儲器和邏輯芯片）缺陷異常情況的原因分析。止匕外，AMDS采用了一種類似位圖的分析方法，用于檢測邏輯器件缺陷的敏感度（圖2通過網頁查看測量結果分布趨勢圖表將電子檢測、最終電性能測試等關鍵參數(shù)的測量結果趨勢圖定期公布在內部網頁上，其中有些圖表甚至可以具體到特定的Lot以及其中的Wafer。將測量結果分布趨勢圖公布在內部網頁上可以使工程師在澄清問題時很方便地獲取第一手資料。制造區(qū)域各個級別的工作人員都有權限獲取這些信息。Lot的分析和總結AMDt一套稱為LotDossier的系統(tǒng)，它收集了每個Lot在Fab和測試過程中的所有關鍵數(shù)據。LotDossier可以對這

13、些數(shù)據進行分析，將分析結果公布在網頁上。該網頁可以顯示Lot的所有參考資料，包括異常情況報告、測量數(shù)據總結、芯片空間分布位置分析、芯片布局圖等。多批Lot的芯片空間分布位置分析十幾年前，Hewlett-Packard提出了芯片空間分布位置分析技術，之后通過SEMATECH推廣。雖然芯片空間分布位置分析技術歷史較長，但是使用這些數(shù)據的新方法仍然在不斷地發(fā)展。其關鍵是如何利用多批Lot的相關數(shù)據。AMEM發(fā)和采用的方法包括如何提取骯顆鶯otPattern相關的信息，并將這些信息的強弱與設備的歷史記錄聯(lián)系起來進行分析。采用該方法之后，不僅能夠分析某批Lot的異常現(xiàn)象，而且可以在分析異常情況或提高良率

14、的過程中，發(fā)現(xiàn)多批Lot的系統(tǒng)問題，并分析其原因。該方法另外一個非常重要的應用與隨機頻率相關。為了能夠解決非常復雜的工藝流程中出現(xiàn)的問題，該系統(tǒng)有60多種隨機方法可用于快速分析，找到引起良率下降的工藝范圍以及與工藝或反應器相關的效應。芯片單元（die）歷史信息的查詢通過SAPPHiRE寸Lot歷史信息的查詢方便了Fab和最終電性能測試之間的相關性分析。但是這種分析也有很高的“噪音”影響，因為Lot內部的分布單元（芯片）是會發(fā)生變化的。為了解決這個問題，處理器產品的最新設計增加了獨特的芯片標識符，它可以根據Lot刻號、芯片記錄和X-Y探針位置等綜合信息，將芯片信息編程并存儲在芯片上。在后段測試階

15、段，系統(tǒng)可以重新讀取這些標識信息，將芯片單元的最終測試結果和芯片生產工藝以及電性能測試關聯(lián)起來。由于“信噪比”得到了提高，因此可以在此基礎上開發(fā)出新的功能模塊，將器件最終性能和芯片生產工藝以及電子測試和Fab在線測量數(shù)據聯(lián)系起來。該系統(tǒng)不僅能夠對各種異常情況進行解釋，而且可以進行bin的預測分析，以及根據最終預測結果對芯片生產工藝進行微調。通過預測功能，我們可以根據所期望的bin分布情況合理安排組裝和測試過程中各Lot和Wafer的優(yōu)先順序等級。它既能有效地降低成本，同時還可以根據客戶需求提供合理的產品組合。芯片單元歷史信息查詢系統(tǒng)的另外一個好處是可以進行客戶反饋信息與歷史信息之間的相關性分析

16、，深入了解和學習經驗教訓，盡量降低額外風險。局部數(shù)據中心盡管SAPPHiREf以為快速提高產品良率提供各種數(shù)據，但是為了進行快速的日常分析特別是芯片單元（die）水平的分析，不同區(qū)域的工程師必須在這個龐大的系統(tǒng)下面建立和保留一個更小的系統(tǒng)或分枝。特別是在進行芯片單元歷史信息查詢和預測器件性能時，系統(tǒng)需要快速處理大量數(shù)據，這一需求就變得更加突出了。由于數(shù)據量太大，因此將它們以適用于各種分析工具的格式存儲在SAPPHiREF面時，效率很低。這一矛盾導致了局部數(shù)據中心的出現(xiàn)。在局部范圍內，它可以方便大量數(shù)據的有效存儲和提取，例如芯片單元水平的各種信息等等。）。掩膜版和設計數(shù)據相關性分析隨時下載掩膜版

17、和設計數(shù)據，分析與實際生產過程中CD以及缺陷敏感度之間的關系，使設計更加符合工藝和設備的實際情況。隨著光刻的發(fā)展和光刻極限的逼近，這一功能會起到越來越重要的作用。綜合效果以上減少異常情況和加快良率提高的方法已經產生了顯著效果。AMDOpteron64位處理器的制造就是一個快速提高良率的很好例子。盡管這是AM出司Dresden廠的第一個130nm工藝量產新產品，其良率提高速度比上一代產品要快約66%（圖3）。走向良率預測功能芯片單元歷史信息查詢功能的開發(fā)意味著我們可以進入預測產品性能和良率的新時代了。通過芯片生產工藝和最終性能相關性分析功能的不斷改善，最終可以開發(fā)出Fab測量數(shù)據、電子測試數(shù)據、

18、芯片生產工藝和最終測試等數(shù)據之間相關性分析的可靠系統(tǒng)。那時，控制Fab的自動化系統(tǒng)（特別是AMDXPM®目中的APC系統(tǒng)和整合計劃系統(tǒng)）可以根據設備產能和功能自動安排芯片加工處理路線，使每片芯片都可以在最低的成本下獲得最高的價值。為了使良率提升系統(tǒng)變得更加先進，我們還在繼續(xù)開發(fā)以下更加重要的功能： 根據設計預測器件性能和良率的功能。這些功能可以使我們對一些設計薄弱環(huán)節(jié)進行細微修改，提高分辨率和改進工藝，從而盡可能減少設計和工藝之間的偏差造成系統(tǒng)性器件失效的情況發(fā)生。 改善FDC錯誤信息和設備異常情況之間的相關性分析，更好地預測設備維護時間。 改善傳感器技術，擴展工廠FDC和軟件系統(tǒng)功能，擴大數(shù)據處理量。 改善數(shù)據系統(tǒng)，使之可以總結和報告正在收集的是什么測量數(shù)據、其含義是什么、這些數(shù)據的收集和儲存方法等等。 將芯片單元歷史信息查詢系統(tǒng)推廣到所有產品，增加選擇性存儲功能，幫助建立其它系統(tǒng)。改善特殊信息的分析，包括預先定義芯片區(qū)域分析法、Pattern信息的獲取和使用等。 芯片內部和芯片之間套刻精度坐標的綜合使用以及非直接相關數(shù)據的分析。 對芯片信息的查詢，包括工藝處理歷史、所用設備和進反應器順序等。 更加細致的數(shù)據（芯片以下水平）存儲和