現(xiàn)在半導(dǎo)體業(yè)遇到了兩個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)：第一，技術(shù)上的轉(zhuǎn)折點(diǎn)——新的應(yīng)用，如物聯(lián)網(wǎng)、5G、人工智能、自動(dòng)駕駛和VR/AR等，都在推動(dòng)半導(dǎo)體技術(shù)不斷進(jìn)步；第二，半導(dǎo)體的轉(zhuǎn)折點(diǎn)在中國(guó)，中國(guó)的半導(dǎo)體項(xiàng)目在遍地開(kāi)花。

但是，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展到今天，也呈現(xiàn)出各種新的技術(shù)趨勢(shì)與挑戰(zhàn)。在工藝演進(jìn)方面，有兩大趨勢(shì)：一是工藝的縮小，二是深紫外光的引進(jìn)。另外還有一些特殊的趨勢(shì)，比如3D存儲(chǔ)器，它不會(huì)變得更小，只是變得更深。這就帶來(lái)了套刻(overlay)對(duì)準(zhǔn)的挑戰(zhàn)。因此，工藝控制變得越來(lái)越重要。

日前，在SEMICONChina展會(huì)上，KLA-Tencor（科磊半導(dǎo)體）資深客戶合作副總及CMOOresteDonzella在該公司新聞發(fā)布會(huì)上，探討了中國(guó)半導(dǎo)體的崛起、技術(shù)上的挑戰(zhàn)——包括KLA-Tencor特別專注的工藝控制部分，及其如何幫助中國(guó)加速半導(dǎo)體的成長(zhǎng)。

何為工藝控制？

Donzella表示，工藝控制既簡(jiǎn)單又困難。簡(jiǎn)單是說(shuō)，就是怎么樣在客戶的半導(dǎo)體晶圓的制造過(guò)程中，幫助他們維持其產(chǎn)品和設(shè)備完美地符合他們需要的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)不管是缺陷、套刻還是光刻的標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)統(tǒng)都要按照客戶設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)走。這就是工藝管理的意義所在。

困難是說(shuō)，現(xiàn)在最新的工藝有差不多1000個(gè)生產(chǎn)步驟，有數(shù)十億個(gè)晶體管和數(shù)英里長(zhǎng)的電線，通通放在一個(gè)郵票大的晶圓里面。整個(gè)工藝都要完美，中間出現(xiàn)任何一個(gè)問(wèn)題，將來(lái)都會(huì)造成器件工作上的困難。

其實(shí)，工藝控制可以分成兩大部分：一個(gè)是檢測(cè)，一個(gè)是測(cè)量。檢測(cè)就是把在工藝上發(fā)生的任何缺陷找出來(lái)，測(cè)量就是確定所有的步驟可以符合設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)?！叭绻冕橆^到病毒到DNA來(lái)作對(duì)照，現(xiàn)在最先進(jìn)的10nm半導(dǎo)體工藝，已經(jīng)到了DNA這個(gè)級(jí)別了?！盌onzella類比道。

“正因?yàn)榘雽?dǎo)體工藝對(duì)精密度和正確性的要求，如果我們只是在最開(kāi)始和最后檢測(cè)這類產(chǎn)品，就像以前傳統(tǒng)的QC（質(zhì)量控制）概念那樣，如果中間出了任何問(wèn)題，最后半導(dǎo)體工藝絕對(duì)做不出來(lái)產(chǎn)品。”Donzella強(qiáng)調(diào)，“為什么我們要和客戶一起合作，介紹工藝控制的策略（下圖中圓圈是檢測(cè)，三角形是測(cè)量），原因是我們?cè)?000個(gè)最新的半導(dǎo)體工藝步驟中間，必須要加入很多檢測(cè)和測(cè)量的步驟，才可以確保在器件制造期間不會(huì)出任何致命性的問(wèn)題，而導(dǎo)致最后產(chǎn)品的良率為零?！?/p>

下圖是一個(gè)簡(jiǎn)單的在線檢測(cè)策略，包含薄膜、化學(xué)機(jī)械研磨、光刻和蝕刻等幾個(gè)半導(dǎo)體生產(chǎn)步驟。在這幾個(gè)步驟中間，都要加入檢測(cè)和測(cè)量的步驟，才可以確保生產(chǎn)步驟是照著當(dāng)初設(shè)計(jì)來(lái)進(jìn)行的。

半導(dǎo)體工藝控制涉及三個(gè)步驟，要求各不一樣

一般，半導(dǎo)體工藝控制涉及三個(gè)步驟：研發(fā)、初期生產(chǎn)（ramp）以及大量生產(chǎn)。每一個(gè)步驟期間工藝控制的策略（檢測(cè)和測(cè)量的需要）是不一樣的。“舉例來(lái)說(shuō)，在研發(fā)的時(shí)候，幾乎1000步當(dāng)中，有三五百步都需要做檢測(cè)、測(cè)量。而到了大量生產(chǎn)的時(shí)候，知道問(wèn)題出在哪里，把這些問(wèn)題都在研發(fā)和ramp階段解決掉后，到大量生產(chǎn)的時(shí)候就可以稍微調(diào)整工藝控制的策略?！盌onzella說(shuō)。

下圖是KLA-Tencor很有名的良率圖，Y軸是良率，X軸是時(shí)間?！拔覀兿Ｍ梢越柚に嚳刂频哪芰?，幫助我們的客戶從原本可以做到的最底下的黃色的線，達(dá)到最左上角綠色的線，就是可以幫助客戶在更短的時(shí)間，達(dá)到更高的良率?！盌onzella解釋說(shuō)，“我們?cè)谌魏我粋€(gè)時(shí)間點(diǎn)，比如說(shuō)新產(chǎn)品在研發(fā)6個(gè)月以后，原本客戶只計(jì)劃它可以達(dá)到30%的良率，但是如果借助工藝控制，可以提升到60%的良率。良率越高，回收越高，因此KLA-Tencor可以幫助客戶要么在良率上提高很多，要么在工藝進(jìn)步上面，時(shí)間能夠提早很多。更早進(jìn)入市場(chǎng)，其實(shí)也是幫助我們的客戶能夠賺更多的錢?！?/p>

他指出，在研發(fā)時(shí)代，KLA-Tencor的工藝控制有三個(gè)主要的貢獻(xiàn)：

第一，幫助客戶了解工藝上到底需求是什么。

第二，可以解決出現(xiàn)在工藝上任何本來(lái)不能解決的問(wèn)題，即所謂缺陷上的差距。

第三，可以優(yōu)化工藝控制的策略。

在研發(fā)階段，工藝控制就是可以幫助客戶了解問(wèn)題并解決問(wèn)題。“在很多新技術(shù)引進(jìn)的時(shí)候，包含立體3D和新的材料，由于工藝窗口越來(lái)越小，我們必定會(huì)碰到很多新的挑戰(zhàn)、過(guò)去沒(méi)有碰到的缺陷、沒(méi)有碰到的套刻上的困難。工藝控制可以幫助客戶在研發(fā)階段盡早地把問(wèn)題解決，從而為下一步生產(chǎn)做準(zhǔn)備?！盌onzella表示。

在初期生產(chǎn)階段，工藝控制的重點(diǎn)是怎么樣能夠很快地幫助客戶發(fā)現(xiàn)并且解決所有良率碰到的問(wèn)題?！耙?yàn)榈谝粋€(gè)研發(fā)階段，主要是控制工藝上的問(wèn)題，第二階段，即大量生產(chǎn)之前，就是怎么樣把良率問(wèn)題全部解決掉，并且能夠幫助客戶加速他們產(chǎn)品上市的時(shí)間?！?/p>

這個(gè)階段，在良率學(xué)習(xí)方面有兩個(gè)重點(diǎn)。“一是，一個(gè)最新的300mm（12英寸）Fab，要花費(fèi)一百億美元的資金。按照正常的折舊，一天就要耗費(fèi)四百萬(wàn)美金。這個(gè)折價(jià)的壓力非常大，我們需要把新的產(chǎn)品盡快推向市場(chǎng)。二是，市場(chǎng)流行的趨勢(shì)也非?？?，晚一天進(jìn)入市場(chǎng)，等于能夠賣的價(jià)錢就會(huì)一直下降。因此，在大量生產(chǎn)之前，良率學(xué)習(xí)非常重要?！盌onzella透露。

在第三個(gè)階段，即能夠大量生產(chǎn)的時(shí)候，工藝控制的重點(diǎn)，第一是怎么樣能夠幫助客戶保持高和穩(wěn)定的良率，第二是怎么樣能夠改善可預(yù)測(cè)性——“大家知道，半導(dǎo)體最怕碰到突然哪一天線上出現(xiàn)問(wèn)題。工藝控制能夠改進(jìn)這個(gè)預(yù)測(cè)性?！薄詈笫悄軌蚝芸彀l(fā)現(xiàn)并且解決良率的這種不確定性。“因?yàn)楝F(xiàn)在的晶圓廠都是大規(guī)模的，而且晶圓成本非常高，所以任何1%良率的提升，都可以轉(zhuǎn)換成千萬(wàn)美金的營(yíng)收?！盌onzella說(shuō)。