芯片短缺難題遲遲未得到緩解，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈正在尋求創(chuàng)新的解決方案來解決這一問題，并致力于提高效率，延長設(shè)備壽命。

從汽車、物聯(lián)網(wǎng)和消費(fèi)電子領(lǐng)域，到芯片制造和測試設(shè)備，芯片短缺幾乎影響了全球供應(yīng)鏈，芯片制造工具和設(shè)備因缺芯延遲安裝交付，上游材料也面臨供應(yīng)不足的情況，包括氣體、KrF光刻膠、CMP漿料，甚至不銹鋼。目前，這些問題仍無法輕松解決，而且這些上游原材料與芯片制造設(shè)備及工具，與芯片制造的全部流程都相互關(guān)聯(lián)，因此僅在一個(gè)領(lǐng)域擴(kuò)充產(chǎn)量并不能解決所有問題。測試儀、光刻膠濾光片和封裝基板，以及任何用于直接處理這些晶圓的設(shè)備和材料短缺，都將會(huì)導(dǎo)致ASIC短缺。

“除了具有極長交貨周期的FPGA之外，ATE還使用了許多定制ASIC，這些ASIC必須爭奪晶圓廠產(chǎn)能，”泰瑞達(dá)（Teradyne）戰(zhàn)略業(yè)務(wù)開發(fā)經(jīng)理Ken Lanier指出?！拔覀兒芫靡郧熬蛯?duì)上游材料市場進(jìn)行了積極的投資，保證供應(yīng)鏈安全，努力為客戶提供合理的交貨時(shí)間?！?/p>

然而，人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)字孿生體等新興技術(shù)的發(fā)展，將會(huì)進(jìn)一步改善晶圓廠封裝協(xié)調(diào)、快速識(shí)別良率問題、穩(wěn)固供應(yīng)鏈，并為半導(dǎo)體行業(yè)在人才短缺的環(huán)境中提供優(yōu)質(zhì)工具，助力產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)卓越增長。

TEL總裁Nate Baxter指出，該公司將數(shù)字工具納入芯片設(shè)計(jì)、工藝設(shè)備和計(jì)量（虛擬和硬件）流程，并解釋了這些工具如何在公司創(chuàng)新中心使用，例如在其位于紐約州奧爾巴尼的美國研發(fā)、制造和工具集成總部。該公司在創(chuàng)新中心執(zhí)行EUV光刻、FEOL、BEOL和用于封裝的異構(gòu)集成，TEL設(shè)備目前利用超過15,000個(gè)傳感器來實(shí)現(xiàn)更快的過程診斷、先進(jìn)的過程控制和數(shù)據(jù)分析。

圖1：為了實(shí)現(xiàn)行業(yè)增長預(yù)測，晶圓廠正在采用能夠提高良率、生產(chǎn)率和智能制造的技術(shù)（圖源：TEL、SEMI ISS）

在最近的先進(jìn)半導(dǎo)體制造大會(huì)（ASMC）上，幾場演講都討論了在晶圓廠中使用機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能來提高良率、工具性能和運(yùn)營效率。在工具級(jí)別，高級(jí)建模正在改進(jìn)流程、庫存管理和元件利用率。例如，在晶圓加工工具中，特定元件的生命周期可以根據(jù)工藝溫度、化學(xué)特性和其他因素而變化。

“在客戶與客戶之間、工具與工具之間以及工具內(nèi)元件的位置之間，半導(dǎo)體工具在工藝條件方面都存在很大差異。這些因素都會(huì)顯著影響零件的可靠性。例如，兩個(gè)氣動(dòng)閥，一個(gè)暴露在惡劣的環(huán)境條件下，另一個(gè)在同一工具內(nèi)的既定環(huán)境條件下運(yùn)行，可能具有不同的使用壽命，”泛林集團(tuán)（Lam Research）的可靠性工程師Swajeeth Panchangam解釋道。

泛林集團(tuán)為元件生命周期開發(fā)了一種新的可靠性模型，在這種情況下，該模型確定了相同的 O 形圈，相對(duì)于較低的工藝溫度下，進(jìn)行較高溫度工藝時(shí)可以可靠地減少40%的晶圓。Panchangam 指出，這樣的模型可以幫助工程師更好地規(guī)劃所需的庫存，并根據(jù)實(shí)際組件建模安排預(yù)防性維護(hù)。

在某些情況下，工程師會(huì)大幅修改其工藝，以提高良率和所生產(chǎn)芯片的質(zhì)量，這對(duì)延長組件壽命具有可喜的好處。例如，由于電感耦合等離子體刻蝕機(jī)中的空氣分子污染導(dǎo)致位線刻蝕不完整，美光的300mm存儲(chǔ)器工廠正面臨著客戶退貨。

“我們開發(fā)了一種新的連續(xù)等離子體工藝（CPP）刻蝕，消除了幾個(gè)刻蝕步驟之間的穩(wěn)定壓力，并改進(jìn)了無晶圓腔清潔（WCC），以消除系統(tǒng)性的良率偏移，并避免了客戶在這種故障機(jī)制中重復(fù)，”美光技術(shù)人員Jeff Ye表示。

大限度提高元件和工具的可靠性

由于晶圓遇到的各種工藝條件，組件生命周期建模很難執(zhí)行。

“對(duì)于如何使用現(xiàn)場數(shù)據(jù)模擬半導(dǎo)體組件的壽命，需要一個(gè)系統(tǒng)的指南。”泛林集團(tuán)的Panangam指出，在估算組件的壽命時(shí)，工程師通常使用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。問題是這些往往是保守的，通過不必要的更換縮短了組件的使用壽命，并且由于更頻繁的零件更換和系統(tǒng)停機(jī)時(shí)間而增加了成本。他還表示，優(yōu)質(zhì)的生命周期建模能夠在需要時(shí)優(yōu)化預(yù)防性維護(hù)和庫存。

“我們提出了一個(gè)使用現(xiàn)場數(shù)據(jù)的模型，隔離故障模式，并理解引發(fā)根本故障的物理原理，”Panagam表示。“我們確定新應(yīng)用程序的操作條件，并查看故障機(jī)制是否正在改變或保持不變?！?/p>

現(xiàn)有工藝具有腐蝕性的工藝化學(xué)性質(zhì)和溫度，新工藝中在較高溫度下進(jìn)行。隨機(jī)模型可估計(jì)新工藝溫度下的壽命分布。使用成本函數(shù)來確定O形圈更換的最佳時(shí)間。（工程團(tuán)隊(duì)報(bào)告了更換零件的處理時(shí)間（以小時(shí)為單位），即使實(shí)際跟蹤了加工的晶圓數(shù)量，以保護(hù)客戶的數(shù)據(jù)。Panangam的團(tuán)隊(duì)確定故障模式（由于化學(xué)侵蝕而導(dǎo)致的O形圈磨損）是相同的，但O形圈的最佳使用壽命為2500小時(shí)，而在此前較低的工藝溫度下為4000小時(shí)。結(jié)果有助于為該過程安排適當(dāng)?shù)腜M間隔，并保持足夠的零件庫存。“現(xiàn)在，當(dāng)我們必須對(duì)組件進(jìn)行調(diào)用時(shí)，模型和成本函數(shù)將指導(dǎo)生產(chǎn)環(huán)境中的潛在更換，”Panagam表示。

圖 2：更換周期基于隨機(jī)建模、故障模式和動(dòng)作的可靠性分析以及成本函數(shù)（圖源：Lam Research、SEMI ASMC）

圖3：RPC替代從4000到2500小時(shí)（晶圓設(shè)備），通過基于場數(shù)據(jù)的更高熱量負(fù)載（圖源：Lam Research、SEMI ASMC）

刻蝕機(jī)遠(yuǎn)程等離子清洗套件中的O形圈磨損

生命周期模型、成本函數(shù)提供O型圈更換時(shí)間，可靠性工藝工程師偶爾會(huì)確定現(xiàn)場故障是由系統(tǒng)性工具問題引起的。第二個(gè)示例顯示了如何重新設(shè)計(jì)現(xiàn)有流程以解決現(xiàn)場故障，從而顯著提高流程吞吐量并降低零件更換成本。

在其位于弗吉尼亞州馬納薩斯的DRAM工廠，美光在300mm ICP刻蝕機(jī)上開發(fā)了一種新的連續(xù)等離子工藝，并采用了改進(jìn)的無晶圓腔室清潔 (WCC)。該公司經(jīng)歷了一些存儲(chǔ)設(shè)備故障，這些故障集中在晶圓中心。工程團(tuán)隊(duì)假設(shè)這些缺陷可能是由于在等離子 DC 偏壓未開啟時(shí)碎片從 ICP 蝕刻噴射器落到晶圓上造成的。

“多年來，我們一直在努力通過各種工藝改進(jìn)來解決這個(gè)問題，但我們決定引入連續(xù)等離子體工藝的想法，以及一種新的無晶圓腔室清潔（WCC）來解決這個(gè)問題，”美光的Ye表示，他在SEMI最近的ASMC上介紹了新工藝。

空氣中的分子污染問題導(dǎo)致不必要的工具停機(jī)（更換經(jīng)過重新設(shè)計(jì)的噴射器），但最重要的是，客戶設(shè)備會(huì)退回。集成的多步驟刻蝕和腔室清潔有大約20個(gè)步驟。對(duì)于新工藝，Ye的團(tuán)隊(duì)使用300mm素晶圓進(jìn)行在線表征和探針，使用SEM / EDX識(shí)別污染物，并使用TEM來檢查位線CD測量和輪廓。美光決定實(shí)施連續(xù)等離子體蝕刻工藝，因?yàn)樾拚涛g、硬掩模1、2等之間的穩(wěn)定性步驟會(huì)造成污染。

“就像冰箱一樣，關(guān)閉再打開也無濟(jì)于事，等離子刻蝕室也是如此，”Ye指出?！斑@導(dǎo)致了連續(xù)等離子體工藝 (CPP)，以及無晶圓清潔從低壓等離子體到高壓等離子體的變化，以激活等離子體中的更多自由基，從而實(shí)現(xiàn)卓越的碳氟化合物去除。WCC 由三個(gè)步驟組成——侵蝕性等離子蝕刻、O2 燃燒，然后是電介質(zhì)調(diào)節(jié)步驟以涂覆腔室，”Ye 表示?！拔覀冋{(diào)整了內(nèi)外氣體噴射器的比例，以更好地清除噴射器壁上堆積的碎屑?！?/p>

最終的工藝配方參數(shù)調(diào)整導(dǎo)致位線刻蝕曲線均勻。美光的結(jié)果表明，良率提高了 1%，由于原始加工時(shí)間縮短了 8%，刀具良率大幅提高，良率偏移導(dǎo)致的刀具停機(jī)時(shí)間減少，降低了ICP蝕刻機(jī)的新型和返工氣體噴射器成本。

“現(xiàn)在我們不需要經(jīng)常更換噴油器，良率偏差更少，位線控制和輪廓更出色，并且避免了客戶的退貨授權(quán)，”Ye指出?！拔覀儗堰@種新的、著名的方法轉(zhuǎn)移到先進(jìn)的技術(shù)節(jié)點(diǎn)上?！?/p>

圖4：晶圓中心污染引起未完成的刻蝕出現(xiàn)存儲(chǔ)位線缺陷（圖源：Micron、SEMI ASMC）

圖5：改進(jìn)的位線剖面圖是連續(xù)腔等離子刻蝕、優(yōu)化離子注入和優(yōu)化晶圓刻蝕前工藝調(diào)節(jié)（圖源：Micron、SEMI ASMC）

圖6：新工藝消除了蝕刻步驟之間的穩(wěn)定過渡，并優(yōu)化了WCC以清潔更多副產(chǎn)品，從而延長部件壽命（圖源：Micron、SEMI ASMC）

總結(jié)

人工智能日益滲透至半導(dǎo)體芯片制造流程，通過使用多個(gè)工具傳感器估算組件壽命和診斷的新模型，能夠改善良率問題。從工具到晶圓廠級(jí)別的工程解決方案將結(jié)合更先進(jìn)的建模、機(jī)器學(xué)習(xí)和反饋機(jī)制，以更快地解決問題，并保持工具和晶圓廠生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的設(shè)備。

審核編輯 ：李倩