DOC《Process Watch：最昂贵的缺陷；第2部分》

Process Watch:最昂贵的缺陷;

第2部分 作者:David W.

Price 与Douglas G. Sutherland 作者按语:本文是探索半导体产业制程管制(检测与量测)根本法则的十集系列连载中的第七集.每篇文章介绍十个根本法则之一,并著重说明其含义. Process Watch

2014 年12 月版提出,最昂贵的缺陷就是直到生产线终点才检测出来的缺陷.确实,没有检测出的偏移现象通常会导致每年价值数百万美元的半导体晶片因缺陷而报废. 但是,很多电子产品供应商和原始设备制造商 (OEM) 都辩称,现场故障(可靠性缺陷)的后果比电性测试阶段检测到的非功能性装置故障(致命缺陷)要严重得多.可靠性缺陷导致的后果包括:愤怒的客户、代价高昂的故障分析,可能的业务损失,或者更糟.想一想装有积体电路 (IC) 装置的所有应用领域,例如汽车、飞机、医学诊疗设备.以上应用的可靠性至关重要,这些领域的装置绝不能发生故障.因此,许多晶圆厂将减少可靠性缺陷的可能性作为重中之重. 半导体积体电路产业制程管制的第七个根本法则是: 改善良率也能改善装置可靠性. 对於设计良好的制程和产品,早期工厂可靠性问题以随机缺陷为主.过去

20 年中,这种相关性已被众多研究者所证实 [1-6].最近,笔者与多家汽车原始设备制造商的品质经理进行了面谈,他们确认,绝大部分可靠性故障最终都可以追溯到晶圆厂内的随机缺陷. 潜在缺陷与致命缺陷: 根ㄒ,致命缺陷(又称良率缺陷)是导致装置在t = 0(电性测试)阶段发生故障的缺陷.我们使用「潜在缺陷」(又称可靠性缺陷)一词来表示装置在t > 0(试机至约使用

6 个月时间)阶段发生故障的缺陷. 良率和可靠性之间的关系源於这样的观察:影响良率的缺陷类型同时也会影响可靠性.这两者的分别主要在於缺陷的大小及其在装置结构上的位置,如图

1 所示. 图1. 影响良率的缺陷类型也可能影响其可靠性.这两者的分别主要在於缺陷的大小及其在装置结构上的位置. 多个装置制造商进行的实验已经证明,相对於造成良率损失的每

100 个致命缺陷,大约会有1-2个将导致可靠性故障的潜在缺陷.致命缺陷和潜在缺陷之间的关系非常明确,可应用於各种缺陷类型.此外,这些缺陷普遍与整体缺陷数目相关.换言之: 良率较低的批货,其可靠性也差 良率较低的晶圆,其可靠性也差 良率较低的晶片位置,其可靠性也差 因此,如果有好的晶片位於晶圆上的可疑位置附近,很多晶圆厂会涂去该晶片.这些好的晶片,如果其所在位置四周的晶片发生故障(图2),则该晶片上有潜在缺陷的可能性就会更高,该潜在缺陷可能会在现场启动,并导致可靠性问题. 图2. 位於不良区域的好晶片.尽管图中标出的晶片可能通过最终测试,但该晶片产生潜在可靠性问题的可能性会增高.很多装置制造商会在最终测试阶段涂去此类晶片. 可靠性缺陷减少策略 为汽车产业提供产品的积体电路制造商一直以来都采用如下策略:降低潜在(可靠性)缺陷可能性的最佳方法就是降低晶圆厂的整体随机缺陷水准.这可透过以下方式实现: 增加制程管制方面的投资,以便为整个晶圆厂实现更高的基准良率和更少的偏移(汽车及非汽车流程;

见图 3) 专用汽车工序流程仅使用最稳定的制程设备 在一些层上使用筛选检测法,扫描每片晶圆来寻找缺陷.这通常使用高速检测工具来完成,例如 KLA-Tencor 的8系列(或8900 C 待定)系统 图3. 晶圆厂透过尝试找到最低总成本(制程管制投资成本加次品率成本)来设定其制程管控预算.对於某些产品类型,总成本还必须包括可靠性故障的成本.与那些仅仅注重次品率成本的厂商相比,这些晶圆厂通常会在制程管制策略上花费更多. 结论 由於良率缺陷和可靠性缺陷都有著相同的来源,因此减少良率缺陷来源也具有减少可靠性缺陷的附带益处.根返男灾,这会在晶圆厂有关制程管制的成本最优投资决策方面发挥重要作用.有关随机缺陷和可靠性之间相互关系的详细资讯,请与笔者联络,或参考以下所列文献. 作者简介: David W. Price 博士是 KLA-Tencor 公司的资深总监.Douglas Sutherland 是KLA-Tencor 公司的首席科学家.在过去

10 年间,Price 博士和 Sutherland 博士一直与

50 多家半导体积体电路制造商直接合作,协助他们最佳化整体检测策略,以实现最低总成本.此系列文章试图对总结出他们在这些合作中观察到的一些普遍经验. 参考文献: Shirley, Glenn 和Johnson, Scott.「Defect Models of Yield and Reliability.」2013 年在波特兰州立大学的「品质及可靠性工程 ECE 510」课程中出版的第

13 号讲座内容. http://web.cecs.pdx.edu/~cgshirl/Quality%20and%20Reliability%20Engineering.htm Roesch, Bill.「Reliability Experience.」2013 年在波特兰州立大学「品质及可靠性工程 ECE 510」课程中出版的第

12 号讲座内容. http://web.cecs.pdx.edu/~cgshirl/Quality%20and%20Reliability%20Engineering.htm Kim 等人.「On the Relationship of Semiconductor Yield and Reliability.」IEEE Transactions on Semiconductor Manufacturing,第18 卷第

3 号(2005 年). Riordan 等人.「Microprocessor Reliability Performance as a Function of Die Location for a .25um, Five Layer Metal CMOS Logic Process.」第37 届国际可靠性物理学研讨会论文集(1999 年):1-11. DOI (http://dx.doi.org/10.1109/RELPHY.1999.761584). Barnett 等人.「Extending Integrated-Circuit Yield Models to Estimate Early-Life Reliability.」IEEE Transactions on Reliability,第52 卷第

3 号(2003 年). Kuper 等人.「Relation between Yield and Reliability of Integrated Circuits: Experimental results and Application to Continuous Early Failure Rate Reduction Programs.」国际可靠性物理学研讨会论文集(1996 年):17-21.