工藝可靠性及其關(guān)鍵技術(shù)

1、工藝可靠性及其關(guān)鍵技術(shù)賈新章(西安電子科技大學微電子所西安710071)摘要在引入工藝可靠性基本概念的基礎(chǔ)上具體介紹相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)并指出工藝可靠性的發(fā)展方向。關(guān)鍵詞可靠性SPC技術(shù)工藝控制中圖分類號:TN406TN407文獻標識碼:A文章編號:1003353X(2000)31305TheTechnologyReliabilitytheRelatedTechnologiesJiaXinzhang(InstitateofMicroelect

2、ronicsXidianUniversityXiπan710071)AbstractThispaperintroducedtheconceptofthetechnologyreliability.Therelatedtechnologiesthefuturetrendarealsodescribed.KeywdsReliabilitySPCtechnologyTechnologycontrol1引言工藝可靠性是研究在IC工藝加工階段如何

3、滿足IC產(chǎn)品的可靠性要求具體地說是通過分析IC可靠性與工藝過程的關(guān)系從可靠性角度確定對相應工藝條件和工藝參數(shù)的要求并在不斷提高工藝水平和工序能力的基礎(chǔ)上加強工藝參數(shù)的監(jiān)測和工藝過程的統(tǒng)計控制以保證能持續(xù)地生產(chǎn)出高可靠的IC產(chǎn)品。特別是隨著可靠性水平向108～109?器件小時發(fā)展就不能只依靠篩選和試驗來保證產(chǎn)品的可靠性而必須從設計和制造兩方面解決可靠性問題。通過可靠性設計使IC具有較高的潛在可靠性通過工藝可靠性使IC產(chǎn)品具有較高的固有可靠

4、性。因此工藝可靠性是保證IC產(chǎn)品可靠性的關(guān)鍵一環(huán)。IC可靠性對工藝的要求有時與IC特性參數(shù)對工藝的要求是矛盾的。在出現(xiàn)這種情況時確定工藝參數(shù)要求的原則應該是在優(yōu)先保證可靠性的前提下兼顧特性參數(shù)的要求進行折衷協(xié)調(diào)處理。為了保證工藝可靠性要求的實現(xiàn)從IC生產(chǎn)涉及的主要環(huán)節(jié)考慮需從原材料、設備、工藝控制和環(huán)境等幾方面同時采取相應的技術(shù)措施。工藝可靠性涉及的主要技術(shù)包括工藝參數(shù)監(jiān)測、PPM、工序能力分析和6Ρ設計、SPC和工藝控制等技術(shù)。2工藝

5、參數(shù)監(jiān)測技術(shù)211工藝參數(shù)監(jiān)測技術(shù)的類型按工藝參數(shù)采集的即時性可將工藝參數(shù)監(jiān)測技術(shù)分為4類。(1)原位測量:指在某一工序的工藝過程中通過特定的傳感器等手段實時連續(xù)監(jiān)測加工過程中工藝參數(shù)的變化情況。在某些情況下可根據(jù)預先設置的某一工藝參數(shù)數(shù)值自動控制工藝的終止。(2)在線測量:指某工序加工結(jié)束后立即進行測試以獲得能表征該工序加工結(jié)果的工藝參數(shù)例如摻雜工序用四探針測量方塊電阻。(3)芯片工藝結(jié)束后的測試:例如在完成管芯工藝加工后通過專門設計

6、的微電子測試圖結(jié)構(gòu)可以同時測量芯片加工過程中各主要工序的工藝參數(shù)。它所測量的實際上是經(jīng)管芯加工全過程后這些工藝參數(shù)的綜合結(jié)果。(4)離線測試和分析:前面三種測量方法是與芯片的工藝過程同步進行的。為了獲得更充分的工藝參數(shù)數(shù)據(jù)有時還需要在工藝加工以后進行離線測試和分析。最典型的分析技術(shù)是微分析即對器件中比最小尺寸還小一個數(shù)量級的微區(qū)的形貌、結(jié)構(gòu)、組分和微量雜質(zhì)進行分析和測試例如SEM31半導體技術(shù)2000年6月第25卷第3期力指數(shù):Cp=(

7、TUTL)?6Ρ=T?6Ρ式中TU和TL分別為工藝參數(shù)規(guī)范的上限和下限T為工藝參數(shù)規(guī)范范圍。工序能力指數(shù)CP值直接反映出工藝成品率的高低因此就定量地表征了該工序滿足工藝規(guī)范要求的能力。在現(xiàn)實生產(chǎn)中工藝參數(shù)分布中心值Λ與工藝規(guī)范要求中心值(TuTl)?2相重合的情況并不多見特別是在IC生產(chǎn)中采用閉環(huán)工藝控制的情況并不多大多為間接工藝控制工藝參數(shù)分布的中心值Λ與規(guī)范中心值偏移的程度一般為115Ρ大小。這時應該按下式計算實際的工序能力指數(shù):C

8、PK=T6Ρ(1K)=(TUTL)6Ρ1?Λ(TUTL)?2?(TUTL)?2通常將CP稱為潛在工序能力指數(shù)CPK稱為實際工序能力指數(shù)簡稱為工序能力指數(shù)。4126Ρ設計在以往的生產(chǎn)中一般要求參數(shù)規(guī)范范圍T對應3Ρ這時CP=1對應工藝成品率為99173%不合格品率為2700PPM。若考慮到工藝分布中心與參數(shù)規(guī)范中心偏移量為115Ρ則CPK=015工藝成品率僅為93132%即該工序的工藝不合格品率高達66810PPM。顯然遠遠不能滿足高可靠

9、IC生產(chǎn)工藝的要求。若工藝參數(shù)規(guī)范范圍對應于6Ρ即T=12Ρ則CP=2。即使規(guī)范中心值與參數(shù)分布均值偏離115Ρ實際工序能力指數(shù)仍達到CPK=115對應的工藝成品率高達99199966%不合格品率僅為314PPM。根據(jù)上述分析在高成品率和高可靠性要求的驅(qū)使下80年代末以Motola公司為代表的一些公司在微電路產(chǎn)品的開發(fā)、設計中提出了6Ρ設計要求即要求參數(shù)規(guī)范范圍為6Ρ其中Ρ為相應參數(shù)實際分布的標準偏差。顯然6Ρ設計要求綜合表征了設計水平

10、和工藝水平。要達到這一目標一方面要從優(yōu)化設計入手使允許的參數(shù)規(guī)范范圍盡量寬另一方面要采用先進設備和新技術(shù)改進工藝質(zhì)量減小參數(shù)分散性使Ρ盡量小。通過兩方面努力使參數(shù)規(guī)范范圍能對應6Ρ實現(xiàn)6Ρ設計的要求。5SPC技術(shù)從工藝可靠性角度考慮為了生產(chǎn)出質(zhì)量好、可靠性高的IC一項必要的前提條件就是:工藝過程必須處于統(tǒng)計受控狀態(tài)。為此國際上從80年代中期開始在微電路生產(chǎn)中普遍采用了統(tǒng)計過程控制技術(shù)(SPC:StatisticalProcessCont

11、rol)并已成為保證VLSI產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性的一項有效手段。511工藝受控概念在微電路生產(chǎn)中工藝起伏波動是絕對的不可避免的。從數(shù)理統(tǒng)計的角度考慮引起工藝起伏的原因可分兩類。一類是隨機原因。這類原因始終存在因此是不可避免的。原因作用的大小具有偶然、不確定性但其總體則遵循一定的統(tǒng)計規(guī)律。如超聲鍵合中內(nèi)引線鍵合強度呈現(xiàn)正態(tài)分布變化就是隨機原因作用的結(jié)果。另一類是異常原因亦是可識別原因如過失誤差、設備剛維修后的狀態(tài)變化、原材料的改變等。在這類異

12、常原因的作用下工藝起伏表現(xiàn)為工藝結(jié)果參數(shù)的突然異常大的變化或變化幅度雖然不大但變化呈現(xiàn)某種規(guī)律例如逐漸增大、減少的傾向或趨勢。異常原因只有在其存在時才會對過程起作用。若工藝中只存在由隨機原因引起的起伏不存在異常原因則稱工藝處于統(tǒng)計受控的狀態(tài)。需要指出工藝是否受控與工藝是否滿足規(guī)范要求是完全不同的兩個概念。工藝是否受控表示工藝運行的狀態(tài)是否正常。而工藝規(guī)范指產(chǎn)品加工過程中對工藝結(jié)果的要求。工藝滿足規(guī)范要求的程度用上節(jié)介紹的工序能力指數(shù)表示

13、不應將兩者混為一談。512統(tǒng)計過程控制(SPC)SPC的基本含義是:利用數(shù)理統(tǒng)計分析理論將連續(xù)采集的大量工藝參數(shù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成信息以確認、改善或糾正工藝過程特性保證產(chǎn)品質(zhì)量、成品率和可靠性。具體地說SPC技術(shù)是通過對工藝參數(shù)數(shù)據(jù)進行定量的統(tǒng)計分析對工藝過程達到的能力水平以及是否處于統(tǒng)計受控狀態(tài)作出定量結(jié)論。當出現(xiàn)能力下降、工藝失控或有失控傾向時立即發(fā)出警報以便及時查找原因采取糾正措施使工藝過程一直處于統(tǒng)計受控狀態(tài)。美國于1988年首先頒布了