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半导体制程控制 | 十大基本准则: 6-10

本期是继上一期的十大基本准则,集中介绍与生产投入成本紧密相关的部分,包括采样与IC代工厂成本投入的关系、设计规则变化对制程控制投入的影响、时间与风险控制的重要性等。

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采样与生产成本

检测与量测过程中的采样比例直接影响到最终的生产成本
采样率的提高有助降低在制程‘偏离’上的损失,如果采样不足够,就不能及时发现制程‘偏离’,也就不能有针对性的改进制程,这就导致良率下降,会造成更大的损失。如图所示,‘偏离’造成的成本损失随采样率的提高迅速减少;虽然伴随采样率的提高也需投入更多成本,但总体成本还是随采样率的提高呈降低趋势。基于这个模型,晶圆厂需要找到制程控制整体投入与‘偏离’成本损失之间的最佳平衡。

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时间

时间是利润率的大敌
半导体生产有三个主要阶段:研发 (R&D)、良率改善,以及大规模生产 (HVM)。每个阶段都需要大量的成本投入,而时间是所有阶段中最关键的要素。
从现金流的角度看,研发是最难的阶段:在这一阶段,半导体厂每天在人力和固定设备上耗费数十万美元,但却无法从新开发的产品中获得任何收入来抵消上述费用。从良率改善的早期阶段开始,半导体厂才开始产生部分收入,然而其良率和产量仍然太低,不足以抵消生产成本,这个阶段的收入甚至不足以抵消初期的研发成本。通常只有到大规模生产的早期阶段,半导体厂才拥有充足的良率达标的产品,开始补偿最初两个阶段的成本,并逐渐开始实现盈利。上图中显示了整个制程流程中的累计现金流,累计现金流是时间的函数。在研发阶段,现金流为负,但是在良率改善阶段,随着收入开始积累,现金流曲线斜率开始转为正值。只有到大规模生产开始的阶段,总成本才变为正值。

*良率也可称为成品率

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芯片设计规则的影响

制程控制要求会随着设计规则的缩小而提高
上图显示了工艺步骤的数量随着逻辑/内存器件工艺设计规则尺寸的变化。在20纳米技术节点之前,工艺步骤随着设计规则缩小而增加的幅度非常有限,例如更多的金属层以及增添的光刻层,但从16/14 纳米节点开始,工艺步骤的数量大幅度增加。这一工艺步骤数量的飞跃是由以下主要因素推动的:
逻辑器件和内存的晶体管结构从 2D 过渡至 3D
前端和后端更复杂的集成技术要求
超紫外光刻(EUV)技术的推迟带来了大量多重曝光步骤
由于制程步骤的增加,以及良率损失的累计特点,晶圆厂必须降低每个步骤的缺陷率,才能实现同样的最终良率。更多的制程步骤还将增加每片晶圆的制造成本,在采样原则中我们发现,理想的采样率将与芯片制造成本的平方根相关。在整体制造成本增加额度的控制下,对采样率的增加是有限的,这样将就给在线检测与量测工作提出了更高的要求。

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风险与制程控制

高风险问题需要分层的制程控制策略
制程复杂度的提升也对制程控制策略提出了更高要求。图中显示了潜在问题的严重程度(沿水平方向上增加)以及该问题实际发生概率(在垂直方向上增加)。在这个“风险暴露”示意图中,“风险”可以被认为是严重程度与发生概率的产物 - 受影响的产品数量(严重性)乘以它发生的概率。由于多种原因,严重程度可能会增加:比如下一个检测点可能是当前步骤下游诸多步骤积累后的结果。

很显然,最安全的生产操作范围是靠近图中左下角,概率和严重程度都很低。针对图中右上角区域,需要采用有效的分层控制方法进行风险管理。

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加强制程控制带来经济效益

增加制程控制可降低整体生产成本、缩短生产周期
理想的晶圆厂都期望能高效地利用生产设备,利用有限地投入,及时掌控与生产流程相关的信息。制程控制系统(检测与量测)是晶圆厂的眼睛和耳朵,实时提供制程本身的状况,它们是对“制程信息”的投资。

对制程控制步骤的增加看起来会增加一些开销,但最终会帮助晶圆厂更快达到产品的目标良率,对在线制程‘偏离’做出更快速的响应,从而更精准的找出‘偏离’根源加以遏制,加快产品进入消费市场,提高产品可靠性与使用性能,缩短新产品研发周期,更充分的利用现有设备。这些最终都将为晶圆厂省去更多资本投入。

· 2019-09-06 17:15  本新闻来源自:KLA Corporation,版权归原创方所有

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