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(xué)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(hào):TN406TN407文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):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(shuō)是通過(guò)分析IC可靠性與工藝過(guò)程的關(guān)系從可靠性角度確定對(duì)相應(yīng)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(qiáng)工藝參數(shù)的監(jiān)測(cè)和工藝過(guò)程的統(tǒng)計(jì)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(shí)發(fā)展就不能只依靠篩選和試驗(yàn)來(lái)保證產(chǎn)品的可靠性而必須從設(shè)計(jì)和制造兩方面解決可靠性問(wèn)題。通過(guò)可靠性設(shè)計(jì)使IC具有較高的潛在可靠性通過(guò)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(duì)工藝的要求有時(shí)與IC特性參數(shù)對(duì)工藝的要求是矛盾的。在出現(xiàn)這種情況時(shí)確定工藝參數(shù)要求的原則應(yīng)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(jìn)行折衷協(xié)調(diào)處理。為了保證工藝可靠性要求的實(shí)現(xiàn)從IC生產(chǎn)涉及的主要環(huán)節(jié)考慮需從原材料、設(shè)備、工藝控制和環(huán)境等幾方面同時(shí)采取相應(yīng)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(cè)、PPM、工序能力分析和6Ρ設(shè)計(jì)、SPC和工藝控制等技術(shù)。2工藝

5、參數(shù)監(jiān)測(cè)技術(shù)211工藝參數(shù)監(jiān)測(cè)技術(shù)的類型按工藝參數(shù)采集的即時(shí)性可將工藝參數(shù)監(jiān)測(cè)技術(shù)分為4類。(1)原位測(cè)量:指在某一工序的工藝過(guò)程中通過(guò)特定的傳感器等手段實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)加工過(guò)程中工藝參數(shù)的變化情況。在某些情況下可根據(jù)預(yù)先設(shè)置的某一工藝參數(shù)數(shù)值自動(dòng)控制工藝的終止。(2)在線測(cè)量:指某工序加工結(jié)束后立即進(jìn)行測(cè)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(cè)量方塊電阻。(3)芯片工藝結(jié)束后的測(cè)試:例如在完成管芯工藝加工后通過(guò)專門設(shè)計(jì)

6、的微電子測(cè)試圖結(jié)構(gòu)可以同時(shí)測(cè)量芯片加工過(guò)程中各主要工序的工藝參數(shù)。它所測(cè)量的實(shí)際上是經(jīng)管芯加工全過(guò)程后這些工藝參數(shù)的綜合結(jié)果。(4)離線測(cè)試和分析:前面三種測(cè)量方法是與芯片的工藝過(guò)程同步進(jìn)行的。為了獲得更充分的工藝參數(shù)數(shù)據(jù)有時(shí)還需要在工藝加工以后進(jìn)行離線測(cè)試和分析。最典型的分析技術(shù)是微分析即對(duì)器件中比最小尺寸還小一個(gè)數(shù)量級(jí)的微區(qū)的形貌、結(jié)構(gòu)、組分和微量雜質(zhì)進(jìn)行分析和測(cè)試?yán)鏢EM31半導(dǎo)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(shí)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(shí)應(yīng)該按下式計(jì)算實(shí)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(shí)際工序能力指數(shù)簡(jiǎn)稱為工序能力指數(shù)。4126Ρ設(shè)計(jì)在以往的生產(chǎn)中一般要求參數(shù)規(guī)范范圍T對(duì)應(yīng)3Ρ這時(shí)CP=1對(duì)應(yīng)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(dá)66810PPM。顯然遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(duì)應(yīng)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(shí)際工序能力指數(shù)仍達(dá)到CPK=115對(duì)應(yīng)的工藝成品率高達(dá)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(shè)計(jì)中提出了6Ρ設(shè)計(jì)要求即要求參數(shù)規(guī)范范圍為6Ρ其中Ρ為相應(yīng)參數(shù)實(shí)際分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差。顯然6Ρ設(shè)計(jì)要求綜合表征了設(shè)計(jì)水平

10、和工藝水平。要達(dá)到這一目標(biāo)一方面要從優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jìn)設(shè)備和新技術(shù)改進(jìn)工藝質(zhì)量減小參數(shù)分散性使Ρ盡量小。通過(guò)兩方面努力使參數(shù)規(guī)范范圍能對(duì)應(yīng)6Ρ實(shí)現(xiàn)6Ρ設(shè)計(jì)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(xiàng)必要的前提條件就是:工藝過(guò)程必須處于統(tǒng)計(jì)受控狀態(tài)。為此國(guó)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(jì)過(guò)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(xiàng)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(dòng)是絕對(duì)的不可避免的。從數(shù)理統(tǒng)計(jì)的角度考慮引起工藝起伏的原因可分兩類。一類是隨機(jī)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(jì)規(guī)律。如超聲鍵合中內(nèi)引線鍵合強(qiáng)度呈現(xiàn)正態(tài)分布變化就是隨機(jī)原因作用的結(jié)果。另一類是異常原因亦是可識(shí)別原因如過(guò)失誤差、設(shè)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(shì)。異常原因只有在其存在時(shí)才會(huì)對(duì)過(guò)程起作用。若工藝中只存在由隨機(jī)原因引起的起伏不存在異常原因則稱工藝處于統(tǒng)計(jì)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(gè)概念。工藝是否受控表示工藝運(yùn)行的狀態(tài)是否正常。而工藝規(guī)范指產(chǎn)品加工過(guò)程中對(duì)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(yīng)將兩者混為一談。512統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制(SPC)SPC的基本含義是:利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)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(rèn)、改善或糾正工藝過(guò)程特性保證產(chǎn)品質(zhì)量、成品率和可靠性。具體地說(shuō)SPC技術(shù)是通過(guò)對(duì)工藝參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行定量的統(tǒng)計(jì)分析對(duì)工藝過(guò)程達(dá)到的能力水平以及是否處于統(tǒng)計(jì)受控狀態(tài)作出定量結(jié)論。當(dāng)出現(xiàn)能力下降、工藝失控或有失控傾向時(shí)立即發(fā)出警報(bào)以便及時(shí)查找原因采取糾正措施使工藝過(guò)程一直處于統(tǒng)計(jì)受控狀態(tài)。美國(guó)于1988年首先頒布了