半导体制造与制程管控挑战

作者 王莹

　　不久前，KLA-Tencor(科天)在上海“Semicon China(中国国际半导体设备和材料展)2018”期间举办新闻发布会，资深客户合作副总及CMO(首席市场官) Oreste Donzella介绍了晶圆制造及KLA—Tencor专注的制程管控行业趋势。

　　现在半导体有两个增长点：1.新的应用，诸如物联网、5G、人工智能与自动驾驶等;2.中国半导体产业的崛起。

半导体业的营收市场

　　半导体业2017年取得了惊人的成长，2017年增长了20%。预计2018年还会呈现继续增长的势头。所以整个半导体行业的发展是非常光明的。

　　图1左图是半导体厂采购设备的资金，据SEMI统计，半导体设备2017年增长了27%，高于整个半导体产业的增长率，也第一次超过了400亿美元。制程管控部分也是2017年第一次超过50亿美元(图1 右图)。

技术趋势和挑战

　　今天半导体制程上的挑战，一个是制程的缩小，一个是深紫外光的引进。

　　有两条路径。第一条路径是逻辑芯片的制程代工演进方面，图2左侧最大的方块表示的是1 μm x 1 μm，现在最新的是7~10 nm的产品是右侧的方块，可见面积缩小得非常多，在逻辑代工线宽方面。另外一个是光刻机的演进。从G-line到I-line，业界在193 nm停了很久，从干式到浸润式，实际上到最近才看到深紫外光(EUV)光刻机可以到商业量产，预计到2019年会有一两家开始有EUV机器生产的样片出来。

　　第二条路径是比较特殊的，例如3D 存储器，特征尺寸不会变得更小，只是变得更深。这一部分很多KLA-Tencor的客户，KLA-Tencor的制程管控可以解决套刻(overlay)的挑战。所谓套刻，是指半导体很多是层叠在一起的，上一层和下一层如果对得不准，将会做成歪的。

制程管控的挑战

　　制程管控非常简单，即怎么在客户生产半导体晶圆的时候，每一部分都可以帮到客户，确实保证制程照着设计来走。如果有任何不好的问题，将来都会造成良率的损失。

　　制程控制为什么困难?因为现在最新的制程有约一千个生产步骤，有超过十亿个的晶体管，超过一英里长的电线，全部放在一个邮票大小的芯片(die)上，因此整个制程都要完美，中间出现任何一个问题。

　　制程管控可以分成两大部分，检测和量测。检测就是把在制程上发生的任何缺陷找出来，量测是确定所有的步骤可以符合设计的标准。等于对照用针头到病毒到DNA，现在最先进的10 nm的半导体的制程已经到DNA级别了!

　　正因为半导体制程对精密度和正确性的要求，如果客户只是在最开始和最后检测这个产品，就像以前传统的QC(qaulity control，质量控制)概念，如果中间出了任何问题，最后半导体制程绝对做不出来产品。

　　制程管控如图3，圆圈是检测，三角形是量测，可见需要在一千个最新的半导体制程步骤中加入很多检测和量测的步骤，才可以确保在器件制造期间，不会出任何致命性的问题，导致最后产品的良率为零。

　　有三类半导体制程：研发期间，新产品开始ramp期间，大量生产期间。每一个期间制程控制的策略是不一样的，检测和量测需要的是不一样的。例如在研发的时候，几乎一千步中的三五百步都需要做检测、量测;到了大量生产的时候，知道问题出在哪里，把问题都在研发和ramp阶段解决掉以后，到量产时就可以稍微调整制程控制的策略。

　　在研发时代，KLA-Tencor的制程控制有三个主要的贡献：1.帮助客户了解制程上面到底需求是什么。2.可以解决在制程上面，出现任何本来制程不能解决的问题，所谓缺陷上的差距。3.可以优化制程控制的策略。

面向前沿和和成熟的两套方案

　　KLA-Tencor把客户分成两部分，一个是在最前沿的，一个是大量生产的。

　　*前沿科技。包含从光学上面，深紫外光到可见光的光学，配合电子光学，另外加上所有的光路，包含激光，多波段的。还有就是最近KLA-Tencor比较看中的，包含算法、计算的光学，还有已经在大量使用机器学习，帮助加速在软件上面的开发。KLA-Tencor的核心竞争力就是把所有新技术能够集成在一起。

　　光就是生命，在检测上面，有没有足够的光子到晶圆表面，并且能够被传感器收到，这就决定了检测、量测的精度和准度是否正确。KLA-Tencor有最新的技术，包含明场检测，甚至以后的薄膜量测都有这个技术，等于借由激光，能够激发腔内的等离子体，发出比原来多波长可见光亮度高非常多的光，能够照在晶圆表面，点亮晶圆表面，帮助在检测和制程上看得更清楚。

　　*成熟科技。日本的客户告诉Oreste Donzella，200 mm市场实际上现在对于晶圆的需求比300 mm还渴求。现在很多新的200 mm的项目，实际上正在立项。人们过去觉得300 mm是将来发展的主流，实际上现在又回到200MM。

　　成熟市场的挑战，跟前沿技术市场的挑战是完全不同的，成本当然是一个因素，另外就是200 mm市场因为设备太抢手了，之前的生产线已经关闭了。所以为了更好地服务成熟市场的客户，KLA-Tencor会重启很多生产线，包括SP1，SP2，像量测薄膜的F5S，KLA-Tencor都重新开了生产线，可以服务成熟市场客户的需求。