集成電路制造中制程能力的提升

向 璐

（中國電子科技集團公司第58研究所，江蘇 無錫 214035）

1 引言

在集成電路制造過程中會收集關鍵制程步驟的量測數據，這些量測數據包括：

（1）氧化、淀積及腐蝕后的膜厚量測；

（2）AA/POLY/WX/AlX等光刻和腐蝕后的條寬寬度；

（3）光刻的套刻；

（4）關鍵層次上的顆粒及圖形缺損多余情況的缺陷檢測；

（5）流片完成后的電性參數量測。

這些制程量測數據的穩定性體現了工廠對制程的控制能力。

2 制程能力評估標準

2.1 制程能力

制程能力由統計過程控制SPC中的CPK來體現，一般都要求每一個量測項的CPK>1.33。1.67>CPK>1.33 意味著制程能力良好，狀態穩定。CPK>1.67意味著制程能力優，應當保持。CPK指標的不斷提升意味著制造成本的增加，所以在質量和成本之間需要找到一個平衡點。大部分的工廠都選擇CPK>1.33，并要求所有項目CPK都能大于1.33。

2.2 CPK的計算方法

CPK的計算方法主要有以下三個公式：

3 制程能力的監控方法

集成電路制造是每天24 h都在生產的，制程的量測數據不斷錄入系統。所以要求：

（1）設定合理有效的控制規范；

（2）密切關注新錄入數據是否異常；

（3）對于多層Al工藝，在Al1完成后增加電性參數量測，以便及早發現電性參數的問題。

3.1 設立有效的控制規范

在原有規范上下限的基礎上，按照3σ原理設立控制上下限，超出控制線的異常一定要找到糾正預防措施。

3σ介紹：連續的生產過程中，質量特性值最常見的典型分布為正態分布。

圖1 正態分布圖

3.2 定期察看SPC chart

定期察看SPC chart，對于非正常的波動都要進行分析并找到根本原因，給出有效的糾正預防措施。必要時要采取緊急措施停線或有條件放片，避免異常面的擴大。

3.3 電性參數量測

集成電路的器件在介質淀積前就完成了，介質淀積到制程結束是通過鋁連線將器件相互連接，滿足電路的功能要求。隨著管芯面積的不斷縮小，鋁的連線層越來越多。要盡早發現器件的問題，可以在第一層鋁完成后量測器件的電性參數，并建立SPC監控系統。

4 制程能力提升的案例分析

制程能力CPK低的原因有：異常波動、規范設置不佳、長期波動較大等。

4.1 異常波動

在SPC chart上發現連續3個批次共75片晶圓的關鍵層腐蝕后條寬超規范下限。察看了光刻的條寬，值偏小但仍在控制線內。

圖2 腐蝕條寬控制圖

圖3 光刻條寬控制圖

從控制圖看出，正常片的BIAS=0.204 5-0.2=0.004 5 μm，異常片的BIAS=0.176-0.19=-0.014 μm，BIAS變化很大?？紤]是否光刻膠的形貌出現問題，調出CD SEM量測機臺保存的量測圖片，發現光刻的條寬只有0.176 μm，嚴重超出規范且與錄入系統的條寬數據有很大的出入。

調查中發現是作業員擅自將固定位置的量測點移動到其他位置，并錄入較大的量測數據。這3批圓片本來可以在光刻返工后正常出貨，但因作業員的自作主張換點量測導致了報廢。后續制造部門給出了有效的糾正預防措施：宣導了操作紀律并加強培訓，避免了類似問題的再次發生。CPK后續也恢復到了1.33以上。

4.2 規范設置不佳

數據長期偏離規范中心，導致CPK只有1.24，未達到CPK>1.33的要求。

對于長期生產的產品，客戶一般不愿意更改制程條件。所以對于數據偏離規范中心的情況，一般是驗證數據對良率的窗口。

圖4 數據長期偏離規范中心控制圖

圖5 數據對良率的窗口

窗口顯示數據在250~350區間良率都保持在95%，即可以更改數據規范從255~315到270~330。新規范下數據的CPK是2.5，滿足CPK>1.33的要求。

圖6 修正規范后的數據控制圖

4.3 數據長期波動大

舉例參數因數據波動大，CPK只有1.15。

圖7 數據波動大導致CPK未達到1.33的控制圖

從參數的特性分析，影響的工藝制程有四個步驟。逐一分析該參數在四個步驟的機臺差異。

從圖8步驟一的參數機臺差異分析圖看出機臺1、2間差異為7/314=2.2%。

從圖9步驟二的參數機臺差異分析圖看出機臺3、4間差異為14/314=4.5%。

圖8 參數在步驟一的機臺差異控制圖

圖9 參數在步驟二的機臺差異控制圖

從圖10步驟三的參數機臺差異分析圖看出機臺5、6間差異為0.4/314=0.1%。

圖10 參數在步驟三的機臺差異控制圖

從圖11步驟四的參數機臺差異分析圖看出機臺7、8間差異為5/314=1.5%。

一般要求機臺間的差異要低于3%, 步驟二的機臺差異比3%大，需要匹配機臺。機臺匹配后的差異是2/314=0.6%，匹配后的參數CPK達到1.74（圖12），滿足要求。機臺匹配完成以后，還需要確認之前是什么原因導致機臺不匹配，同時完善機臺的相關監控文件。

圖11 參數在步驟四的機臺差異控制圖

圖12 機臺匹配后參數在步驟二的機臺差異控制圖

5 結束語

在集成電路制造中，監控生產過程的關鍵制程參數，通過統計過程控制技術及時發現、解決問題，并給出糾正預防措施。確保制程處于受控狀態，減少報廢，確保產品品質。

[1] 官生平. SPC統計制程管制[M]. 廈門：廈門大學出版社.