半导体业迎来两大转折点，工艺控制也变得更重要

shuszhao

半导体产业发展到今天，也呈现出各种新的技术趋势与挑战。在工艺演进方面，有两大趋势：一是工艺的缩小，二是深紫外光的引进。另外还有一些特殊的趋势，比如3D存储器，它不会变得更小，只是变得更深。这就带来了套刻(overlay)对准的挑战。因此，工艺控制变得越来越重要。

现在半导体业遇到了两个转折点：第一，技术上的转折点——新的应用，如物联网、5G、人工智能、自动驾驶和VR/AR等，都在推动半导体技术不断进步；第二，半导体的转折点在中国，中国的半导体项目在遍地开花。
但是，半导体产业发展到今天，也呈现出各种新的技术趋势与挑战。在工艺演进方面，有两大趋势：一是工艺的缩小，二是深紫外光的引进。另外还有一些特殊的趋势，比如3D存储器，它不会变得更小，只是变得更深。这就带来了套刻(overlay)对准的挑战。因此，工艺控制变得越来越重要。
日前，在SEMICON China展会上，KLA-Tencor（科磊半导体）资深客户合作副总及CMO Oreste Donzella在该公司新闻发布会上，探讨了中国半导体的崛起、技术上的挑战——包括KLA-Tencor特别专注的工艺控制部分，及其如何帮助中国加速半导体的成长。



何为工艺控制？

Donzella表示，工艺控制既简单又困难。简单是说，就是怎么样在客户的半导体晶圆的制造过程中，帮助他们维持其产品和设备完美地符合他们需要的设计标准。这个标准不管是缺陷、套刻还是光刻的标准，统统都要按照客户设计的标准来走。这就是工艺管理的意义所在。
困难是说，现在最新的工艺有差不多1000个生产步骤，有数十亿个晶体管和数英里长的电线，通通放在一个邮票大的晶圆里面。整个工艺都要完美，中间出现任何一个问题，将来都会造成器件工作上的困难。
其实，工艺控制可以分成两大部分：一个是检测，一个是测量。检测就是把在工艺上发生的任何缺陷找出来，测量就是确定所有的步骤可以符合设计的标准。“如果用针头到病毒到DNA来作对照，现在最先进的10nm半导体工艺，已经到了DNA这个级别了。”Donzella类比道。
“正因为半导体工艺对精密度和正确性的要求，如果我们只是在最开始和最后检测这类产品，就像以前传统的QC（质量控制）概念那样，如果中间出了任何问题，最后半导体工艺绝对做不出来产品。”Donzella强调，“为什么我们要和客户一起合作，介绍工艺控制的策略（下图中圆圈是检测，三角形是测量），原因是我们在1000个最新的半导体工艺步骤中间，必须要加入很多检测和测量的步骤，才可以确保在器件制造期间不会出任何致命性的问题，而导致最后产品的良率为零。”

下图是一个简单的在线检测策略，包含薄膜、化学机械研磨、光刻和蚀刻等几个半导体生产步骤。在这几个步骤中间，都要加入检测和测量的步骤，才可以确保生产步骤是照着当初设计来进行的。



半导体工艺控制涉及三个步骤，要求各不一样

一般，半导体工艺控制涉及三个步骤：研发、初期生产（ramp）以及大量生产。每一个步骤期间工艺控制的策略（检测和测量的需要）是不一样的。“举例来说，在研发的时候，几乎1000步当中，有三五百步都需要做检测、测量。而到了大量生产的时候，知道问题出在哪里，把这些问题都在研发和ramp阶段解决掉后，到大量生产的时候就可以稍微调整工艺控制的策略。”Donzella说。
下图是KLA-Tencor很有名的良率图，Y轴是良率，X轴是时间。“我们希望可以借助工艺控制的能力，帮助我们的客户从原本可以做到的最底下的黄色的线，达到最左上角绿色的线，就是可以帮助客户在更短的时间，达到更高的良率。”Donzella解释说，“我们在任何一个时间点，比如说新产品在研发6个月以后，原本客户只计划它可以达到30%的良率，但是如果借助工艺控制，可以提升到60%的良率。良率越高，回收越高，因此KLA-Tencor可以帮助客户要么在良率上提高很多，要么在工艺进步上面，时间能够提早很多。更早进入市场，其实也是帮助我们的客户能够赚更多的钱。”

他指出，在研发时代，KLA-Tencor的工艺控制有三个主要的贡献：
第一，帮助客户了解工艺上到底需求是什么。第二，可以解决出现在工艺上任何本来不能解决的问题，即所谓缺陷上的差距。第三，可以优化工艺控制的策略。在研发阶段，工艺控制就是可以帮助客户了解问题并解决问题。“在很多新技术引进的时候，包含立体3D和新的材料，由于工艺窗口越来越小，我们必定会碰到很多新的挑战、过去没有碰到的缺陷、没有碰到的套刻上的困难。工艺控制可以帮助客户在研发阶段尽早地把问题解决，从而为下一步生产做准备。”Donzella表示。
在初期生产阶段，工艺控制的重点是怎么样能够很快地帮助客户发现并且解决所有良率碰到的问题。“因为第一个研发阶段，主要是控制工艺上的问题，第二阶段，即大量生产之前，就是怎么样把良率问题全部解决掉，并且能够帮助客户加速他们产品上市的时间。”
这个阶段，在良率学习方面有两个重点。“一是，一个最新的300mm（12英寸）Fab，要花费一百亿美元的资金。按照正常的折旧，一天就要耗费四百万美金。这个折价的压力非常大，我们需要把新的产品尽快推向市场。二是，市场流行的趋势也非常快，晚一天进入市场，等于能够卖的价钱就会一直下降。因此，在大量生产之前，良率学习非常重要。”Donzella透露。
在第三个阶段，即能够大量生产的时候，工艺控制的重点，第一是怎么样能够帮助客户保持高和稳定的良率，第二是怎么样能够改善可预测性——“大家知道，半导体最怕碰到突然哪一天线上出现问题。工艺控制能够改进这个预测性。”——最后是能够很快发现并且解决良率的这种不确定性。“因为现在的晶圆厂都是大规模的，而且晶圆成本非常高，所以任何1%良率的提升，都可以转换成千万美金的营收。”Donzella说。


光就是生命：科磊在光学成像上的创新

KLA-Tencor最新的科技包含从深紫外光到可见光的光学、配合电子光学、包含激光和多波段的光路、包含算法的光学，以及大量使用机器学习帮助加速软件上的开发。“KLA-Tencor的核心竞争力就是能够把所有新技术集成在一起。我们希望能够把新的产品和技术集成在一起，提供一个非常稳定而且性能非常好的系统，交给客户使用。”Donzella强调，“光就是生命（light is life）。在检测上有没有足够的光子照到晶圆表面，并且能被传感器收到，这就决定了检测和测量的精度和准度的正确性。”

下图是科天在光学成像检测系统方面的技术创新。

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