半導(dǎo)體制造與制程管控挑戰(zhàn)

作者 王瑩

　　不久前，KLA-Tencor(科天)在上海“Semicon China(中國國際半導(dǎo)體設(shè)備和材料展)2018”期間舉辦新聞發(fā)布會(huì)，資深客戶合作副總及CMO(首席市場官) Oreste Donzella介紹了晶圓制造及KLA—Tencor專注的制程管控行業(yè)趨勢。

　　現(xiàn)在半導(dǎo)體有兩個(gè)增長點(diǎn)：1.新的應(yīng)用，諸如物聯(lián)網(wǎng)、5G、人工智能與自動(dòng)駕駛等;2.中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的崛起。

半導(dǎo)體業(yè)的營收市場

　　半導(dǎo)體業(yè)2017年取得了驚人的成長，2017年增長了20%。預(yù)計(jì)2018年還會(huì)呈現(xiàn)繼續(xù)增長的勢頭。所以整個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展是非常光明的。

　　圖1左圖是半導(dǎo)體廠采購設(shè)備的資金，據(jù)SEMI統(tǒng)計(jì)，半導(dǎo)體設(shè)備2017年增長了27%，高于整個(gè)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的增長率，也第一次超過了400億美元。制程管控部分也是2017年第一次超過50億美元(圖1 右圖)。

技術(shù)趨勢和挑戰(zhàn)

　　今天半導(dǎo)體制程上的挑戰(zhàn)，一個(gè)是制程的縮小，一個(gè)是深紫外光的引進(jìn)。

　　有兩條路徑。第一條路徑是邏輯芯片的制程代工演進(jìn)方面，圖2左側(cè)最大的方塊表示的是1 μm x 1 μm，現(xiàn)在最新的是7~10 nm的產(chǎn)品是右側(cè)的方塊，可見面積縮小得非常多，在邏輯代工線寬方面。另外一個(gè)是光刻機(jī)的演進(jìn)。從G-line到I-line，業(yè)界在193 nm停了很久，從干式到浸潤式，實(shí)際上到最近才看到深紫外光(EUV)光刻機(jī)可以到商業(yè)量產(chǎn)，預(yù)計(jì)到2019年會(huì)有一兩家開始有EUV機(jī)器生產(chǎn)的樣片出來。

　　第二條路徑是比較特殊的，例如3D 存儲(chǔ)器，特征尺寸不會(huì)變得更小，只是變得更深。這一部分很多KLA-Tencor的客戶，KLA-Tencor的制程管控可以解決套刻(overlay)的挑戰(zhàn)。所謂套刻，是指半導(dǎo)體很多是層疊在一起的，上一層和下一層如果對得不準(zhǔn)，將會(huì)做成歪的。

制程管控的挑戰(zhàn)

　　制程管控非常簡單，即怎么在客戶生產(chǎn)半導(dǎo)體晶圓的時(shí)候，每一部分都可以幫到客戶，確實(shí)保證制程照著設(shè)計(jì)來走。如果有任何不好的問題，將來都會(huì)造成良率的損失。

　　制程控制為什么困難?因?yàn)楝F(xiàn)在最新的制程有約一千個(gè)生產(chǎn)步驟，有超過十億個(gè)的晶體管，超過一英里長的電線，全部放在一個(gè)郵票大小的芯片(die)上，因此整個(gè)制程都要完美，中間出現(xiàn)任何一個(gè)問題。

　　制程管控可以分成兩大部分，檢測和量測。檢測就是把在制程上發(fā)生的任何缺陷找出來，量測是確定所有的步驟可以符合設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)。等于對照用針頭到病毒到DNA，現(xiàn)在最先進(jìn)的10 nm的半導(dǎo)體的制程已經(jīng)到DNA級別了!

　　正因?yàn)榘雽?dǎo)體制程對精密度和正確性的要求，如果客戶只是在最開始和最后檢測這個(gè)產(chǎn)品，就像以前傳統(tǒng)的QC(qaulity control，質(zhì)量控制)概念，如果中間出了任何問題，最后半導(dǎo)體制程絕對做不出來產(chǎn)品。

　　制程管控如圖3，圓圈是檢測，三角形是量測，可見需要在一千個(gè)最新的半導(dǎo)體制程步驟中加入很多檢測和量測的步驟，才可以確保在器件制造期間，不會(huì)出任何致命性的問題，導(dǎo)致最后產(chǎn)品的良率為零。

　　有三類半導(dǎo)體制程：研發(fā)期間，新產(chǎn)品開始ramp期間，大量生產(chǎn)期間。每一個(gè)期間制程控制的策略是不一樣的，檢測和量測需要的是不一樣的。例如在研發(fā)的時(shí)候，幾乎一千步中的三五百步都需要做檢測、量測;到了大量生產(chǎn)的時(shí)候，知道問題出在哪里，把問題都在研發(fā)和ramp階段解決掉以后，到量產(chǎn)時(shí)就可以稍微調(diào)整制程控制的策略。

　　在研發(fā)時(shí)代，KLA-Tencor的制程控制有三個(gè)主要的貢獻(xiàn)：1.幫助客戶了解制程上面到底需求是什么。2.可以解決在制程上面，出現(xiàn)任何本來制程不能解決的問題，所謂缺陷上的差距。3.可以優(yōu)化制程控制的策略。

面向前沿和和成熟的兩套方案

　　KLA-Tencor把客戶分成兩部分，一個(gè)是在最前沿的，一個(gè)是大量生產(chǎn)的。

　　*前沿科技。包含從光學(xué)上面，深紫外光到可見光的光學(xué)，配合電子光學(xué)，另外加上所有的光路，包含激光，多波段的。還有就是最近KLA-Tencor比較看中的，包含算法、計(jì)算的光學(xué)，還有已經(jīng)在大量使用機(jī)器學(xué)習(xí)，幫助加速在軟件上面的開發(fā)。KLA-Tencor的核心競爭力就是把所有新技術(shù)能夠集成在一起。

　　光就是生命，在檢測上面，有沒有足夠的光子到晶圓表面，并且能夠被傳感器收到，這就決定了檢測、量測的精度和準(zhǔn)度是否正確。KLA-Tencor有最新的技術(shù)，包含明場檢測，甚至以后的薄膜量測都有這個(gè)技術(shù)，等于借由激光，能夠激發(fā)腔內(nèi)的等離子體，發(fā)出比原來多波長可見光亮度高非常多的光，能夠照在晶圓表面，點(diǎn)亮晶圓表面，幫助在檢測和制程上看得更清楚。

　　*成熟科技。日本的客戶告訴Oreste Donzella，200 mm市場實(shí)際上現(xiàn)在對于晶圓的需求比300 mm還渴求?，F(xiàn)在很多新的200 mm的項(xiàng)目，實(shí)際上正在立項(xiàng)。人們過去覺得300 mm是將來發(fā)展的主流，實(shí)際上現(xiàn)在又回到200MM。

　　成熟市場的挑戰(zhàn)，跟前沿技術(shù)市場的挑戰(zhàn)是完全不同的，成本當(dāng)然是一個(gè)因素，另外就是200 mm市場因?yàn)樵O(shè)備太搶手了，之前的生產(chǎn)線已經(jīng)關(guān)閉了。所以為了更好地服務(wù)成熟市場的客戶，KLA-Tencor會(huì)重啟很多生產(chǎn)線，包括SP1，SP2，像量測薄膜的F5S，KLA-Tencor都重新開了生產(chǎn)線，可以服務(wù)成熟市場客戶的需求。