[原创] 芯片制造良率提升为什么那么困难?或许你忽略了这方面

2020-02-25
14:00:06
来源: 半导体行业观察


1959年,仙童半导体与德州仪器同时发明了集成电路,使得半导体工业界发生了翻天覆地的变化。


集成电路诞生之初,特征尺寸大概是10μm,经过几十年的发展变革,芯片制程从微米时代进入纳米时代,目前制程线宽已经降到10nm以下。




随着特征尺寸的不断微缩,逐渐达到了半导体制造设备和制程工艺的极限,目前,集成电路的晶体管数量,以及功耗和性能已经很难像过去40年那样,顺畅地按照摩尔定律演进,很大程度上源于工艺难度越来越大,成本也高得吓人。




元素分析的重要性


为了解决高昂的成本问题,厂商开始严格控制半导体制造过程中的产品良率。


影响产品良率的原因有很多,污染无疑是其中非常重要的因素。


业内人士估计,污染造成了约50%的产量损失。



这不是夸张的说法,在芯片制程不断进步期间,生产工艺会愈发精细,纹路也会更加密集,这时,杂质含量就会成为非常敏感的存在,所有使用的硅原料、化学试剂甚至水、空气等环境因素一旦被污染,就可能导致介质击穿电压降低、漏电流增加和良率下降,因此元素分析变得至关重要。


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作为半导体无机分析的领导者,年前,安捷伦科技有限公司(以下简称安捷伦)在上海举办了“安捷伦半导体论坛无机元素分析论坛”。


半导体行业观察记者有幸对安捷伦原子光谱学研发总监Toshifumi Matsuzaki以及其合作方台湾巴斯夫无机事业部品质管理经理Jones Hsu做了一场专访,畅谈元素分析如何帮助半导体制造提升良率。



作为一家化工企业,巴斯夫股份公司(以下简称“巴斯夫”)对此深有体会,台湾巴斯夫无机事业部品质管理经理Jones Hsu坦言,元素分析相当于一个足球赛守门员,可以监控巴斯夫提供给客户的化学制品原物料,甚至还可以监控原物料的品质,当前半导体制造商的工艺在不断精进,要求也越来越高,巴斯夫需要让客户在进料端尽可能拿到污染比例较小的原物料。


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台湾巴斯夫无机事业部品质管理经理Jones Hsu(图左)




对于半导体制造商来说,同样遭遇困境。


许多半导体制造商正在使用3级或4级化学品(B级或C级规格,适用于800-90nm之间的几何尺寸)。


但是随着尺寸架构朝着更小型化的方向发展,他们面临着升级至D级或E级化学品规格的压力,这些要求都对无机杂质检测仪器的性能提出了更高的要求。




ICP-MS的诞生


因此,20 世纪80年代诞生的ICP-MS(电感耦合等离子体质谱)因其高灵敏度、低检测限和多元素检测能力成了半导体制造商和化学品供应商的重点关注对象。


ICP-MS几乎可以取代传统的元素分析技术,被公认为最理想的无机元素分析方法,并渗透到环境、物理、化学、生物、医学、食品、环境、材料、核科学等诸多领域。




ICP-MS的生产商众多,但没有人可以忽略安捷伦这颗闪耀的明珠。


作为生命科学、诊断和应用化学市场领域的领导者,安捷伦在半导体行业深耕已三十余年。



Toshifumi Matsuzaki表示,当 ICP-MS 首次推出并迅速为半导体制造商和供应商所采用时,安捷伦就一直引领 ICP-MS 的发展,安捷伦不断与领先的半导体制造商和化学品提供商合作,开发和更新ICP-MS系统和应用技术,应对半导体行业的分析挑战,始终处于创新的最前沿。


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安捷伦原子光谱学研发总监Toshifumi Matsuzaki





安捷伦ICP-MS的创新之路


安捷伦ICP-MS技术的发展历程可以追溯到1963年。


当时,惠普公司(安捷伦前身)与日本横河(Yokogawa)电气达成合作,创建了他们的第一家联合企业横河惠普,并于1987年推出首台由计算机控制的ICP-MS仪器。


该仪器结合了惠普公司的专利技术与日本横河在测量分析领域的领导地位,推向市场的过程中受到用户的普遍欢迎。



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此后,安捷伦便在“开挂”的路上不断前进。


纵览其ICP-MS的创新之路,我们不难发现,它的突破性技术为半导体行业的发展带来了促进和推动作用。



1992年,惠普公司推出HP 4500 ICP-MS,该仪器配置冷等离子技术,能够有效消除Ar带来质谱干扰,使ICP-MS测定痕量Na、K、Ca和Fe成为可能,而不再需要使用石墨炉AAS测量这些元素,完美满足了90年代半导体行业蓬勃发展带来的需求。


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HP 4500 ICP-MS产品图




2001年,安捷伦发布配备第一代ORS碰撞反映池的7500c ICP-MS,开创了复杂半导体基质直接分析的先河。


随后,ORS技术在此基础上,不断更新,让半导体无机杂志分析中高基体分析的问题不断得到突破。



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7500c ICP-MS产品图




2012年,安捷伦推出世界上第一台串接ICP-MS/MS产品8800,进一步消除复杂样品中未知元素带来的干扰,该产品的诞生帮助半导体制造客户由E8的检测能力跨越到E7级别,据介绍,芯片进入16nm制程以后,金属离子的影响更加凸显,任何一个金属杂质或金属颗粒的存在都非常容易造成线路之间的互通,8800以及后续推出的8900为用户高端研究和复杂分析难题带来变革。


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8800和8900 ICP-MS/MS产品图




Toshifumi Matsuzaki表示,从1994年推出4500系列开始,每个时期安捷伦都为半导体行业推出其专用的ICP-MS型号,包括HP4500-300、7500s、7500cs、7700s等,这些型号采用了屏蔽炬和冷等离子体的技术,非常适用于半导体工业的超痕量杂质分析,因此也得到广泛的应用。



当然,材料分析只是辅助手段,ICP-MS并不能够直接帮助客户真正生产出更干净的东西,但是当客户去不断地去寻找或者改善工艺去制造更干净的东西的时候,ICP-MS可以通过测试的方式去证明产品确实被改进了。



ICP-MS经过近四十年的发展取得了一些重大的突破,其技术本身已经较为成熟。


未来仪器将以自动化、智能化,提高效率为发展方向,满足各领域对分析的要求。



安捷伦目前已将智能化技术使用到ICP-OES中,内置100个传感器,可以监测仪器本身的运行问题,也会使得人机交互界面变得简单。


Toshifumi Matsuzaki称,该技术将逐渐渗透到ICP-MS中。




为什么选择安捷伦?


在半导体元素分析领域30多年的技术积淀,为安捷伦在奠定了该市场的领导地位。


安捷伦每年为技术研发投入大量费用,也因此推出从冷等离子技术、碰撞反应池到串接质谱等每一项技术突破都能带来翻天覆地的变化。




不仅如此,安捷伦ICP-MS还具有让业界信服的稳定性。


作为使用者,Jones Hsu毫不犹豫地提到了这一点。



产品的稳定性除了产品本身经过不断测试以外,很大程度上来自于用户的反馈,Toshifumi Matsuzaki这样说到。


在全球半导体产业里面,十个用户至少有八个半是安捷伦的客户。


因此安捷伦可以听见很多客户的声音,他们会带来反馈与意见,安捷伦根据这些反馈再去做产品的研发与改进,让产品趋于完美。



生命不止,奋斗不息,作为领头者,安捷伦创造了无数新技术的同时也将很多技术带给了整个元素分析行业,与产业一起进步与发展。


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