現在半導體業遇到了兩個轉捩點:第一,技術上的轉捩點——新的應用,如物聯網、5G、人工智慧(AI)、自動駕駛和虛擬實境(VR)/擴增實境(AR)等,都在推動半導體技術不斷進步;第二,半導體的轉捩點在中國,中國的半導體專案在遍地開花。

但是,半導體產業發展到今天,也呈現出各種新的技術趨勢與挑戰。在製程演進方面,有兩大趨勢:一是製程的縮小,二是深紫外光的引進。另外還有一些特殊的趨勢,比如3D記憶體,它不會變得更小,只是變得更深,這就帶來了套刻(overlay)對準的挑戰。因此,製程控制變得越來越重要。

日前,在SEMICON China展會上,KLA-Tencor資深客戶合作副總裁暨行銷長Oreste Donzella在該公司新聞發佈會上,探討了中國半導體的崛起、技術上的挑戰——包括KLA-Tencor特別專注的製程控制部分,及其如何協助中國加速半導體的成長。

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製程控制為何?

Donzella表示,製程控制既簡單又困難。簡單來說,就是怎麼樣在客戶的半導體晶圓的製造過程中,幫助他們維持其產品和設備完美地符合他們需要的設計標準。這個標準不管是缺陷、套刻還是光刻的標準,統統都要按照客戶設計的標準來走,就是製程管理的意義所在。

困難地說,現在最新的製程有差不多1,000個生產步驟,有數十億個電晶體和數英哩長的電線,通通放在一個郵票大的晶圓裡面。整個製程都要完美,中間出現任何一個問題,將來都會造成元件工作上的困難。

其實,製程控制可以分成兩大部分:一個是檢測,一個是測量。檢測就是把在製程上發生的任何缺陷找出來,測量就是確定所有的步驟可以符合設計的標準。Donzella舉例說明,「如果用針頭到病毒到DNA來作對照,現在最先進的10nm半導體製程,已經到了DNA這個等級了。」

Donzella強調,「正因為半導體製程對精密度和正確性的要求,如果我們只是在最開始和最後檢測這類產品,就像以前傳統的品質管制(QC)概念那樣,如果中間出了任何問題,最後半導體製程絕對做不出來產品。為什麼我們要和客戶一起合作,介紹製程控制的策略(下圖中圓圈是檢測,三角形是測量),原因是我們在1,000個最新的半導體製程步驟中間,必須要加入很多檢測和測量的步驟,才可以確保在元件製造期間不會出任何致命性的問題,而導致最後產品的良率為零。」

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下圖是一個簡單的線上檢測策略,包含薄膜、化學機械研磨、光刻和蝕刻等幾個半導體生產步驟。在這幾個步驟中間,都要加入檢測和測量的步驟,才可以確保生產步驟是依照當初設計來進行。

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半導體製程控制包含三步驟,要求各不同

一般,半導體製程控制涵蓋三個步驟:研發、初期生產(ramp),以及大量生產。每一個步驟期間製程控制的策略(檢測和測量的需要)是不一樣的。Donzella表示,「舉例來說,在研發的時候,幾乎1,000步當中,有3、500步都需要做檢測、測量。而到了大量生產的時候,知道問題出在哪裡,把這些問題都在研發和ramp階段解決後,到大量生產時就可以稍微調整製程控制的策略。」

下圖是KLA-Tencor很有名的良率圖,Y軸是良率,X軸是時間。Donzella解釋,「我們希望可以借助製程控制的能力,協助我們的客戶從原本可以做到的最底下的黃色的線,達到最左上角綠色的線,就是可以讓客戶在更短的時間,達到更高的良率。我們在任何一個時間點,比如說新產品在研發6個月以後,原本客戶只計畫它可以達到30%的良率,但是如果借助製程控制,可以提升到60%的良率。良率越高,回收越高,因此KLA-Tencor可以使客戶在良率上提高很多,或是在製程進步上面,時間能夠提早很多。更早進入市場,其實也是讓我們的客戶能夠賺更多的錢。」

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Donzella指出,在研發時代,KLA-Tencor的製程控制有三個主要的貢獻:

第一,協助客戶瞭解製程上到底需求是什麼;

第二,可以解決出現在製程上任何本來不能解決的問題,即所謂缺陷上的差距;

第三,可以最佳化製程控制的策略。

在研發階段,製程控制就是可以協助客戶瞭解問題並解決問題。Donzella表示,「在引進很多新技術時,包含立體3D和新的材料,由於製程視窗越來越小,我們必定會碰到很多新的挑戰、過去沒有碰到的缺陷、沒有碰到的套刻上的困難。製程控制可以讓客戶在研發階段儘早地把問題解決,從而為下一步生產做準備。」

在初期生產階段,製程控制的重點是怎麼樣能夠很快地幫助客戶發現並且解決所有良率碰到的問題。「因為第一個研發階段,主要是控制製程上的問題,第二階段,即大量生產之前,就是怎麼樣把良率問題全部解決,並且能夠使客戶加速他們產品上市的時間。」

這個階段,在良率學習方面有兩個重點。Donzella透露,「一是,一個最新的300mm(12英吋)Fab,要花費100億美元的資金。按照正常的折舊,一天就要耗費400萬美金。這個折價的壓力非常大,我們需要把新的產品儘快推向市場。二是,市場流行的趨勢也非常快,晚一天進入市場,等於能夠賣的價錢就會一直下降。因此,在大量生產之前,良率學習非常重要。」

在第三個階段,即能夠大量生產的時候,製程控制的重點,第一是怎麼樣能夠讓客戶保持高和穩定的良率,第二是怎麼樣能夠改善可預測性。Donzella說,「大家知道,半導體最怕碰到突然哪一天線上出現問題。製程控制能夠改進這個預測性。」最後是能夠很快發現並且解決良率的這種不確定性。「因為現在的晶圓廠都是大規模,且晶圓成本非常高,所以任何1%良率的提升,都可以轉換成千萬美金的營收。」

光就是生命:KLA-Tencor光學成像的創新

KLA-Tencor最新的科技包含從深紫外光到可見光的光學、配合電子光學、包含鐳射和多波段的光路、包含演算法的光學,以及大量使用機器學習協助加速軟體上的開發。Donzella強調,「KLA-Tencor的核心競爭力就是能夠整合所有新技術。我們希望能夠把新的產品和技術整合在一起,提供一個非常穩定而且性能非常好的系統,交給客戶使用。光就是生命(light is life),在檢測上有沒有足夠的光子照到晶圓表面,並且能被感測器收到,這就決定了檢測和測量的精度和准度的正確性。」

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下圖是KLA-Tencor在光學成像檢測系統方面的技術創新。

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