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材料和工艺创新提高生产效率

时间：2010-6-3 09:25作者：zfw 阅读(1222) 评论: 0

导读：通过在分子级衡量新材料和工艺，高生产率的开发方法可以提高产品的吞吐率和成品率，并降低成本。

作者：Tod Higinbotham, ATMI Inc., Danbury, Conn.，www.atmi.com 　来源: 半导体国际

图. 自从将金属铜引入到半导体制造以来，似乎每个产品代都需要十数种新材料。进行一系列实验以获得优化的成分，这种传统方法已经无法满足新技术代在时间上的要求。

世界范围内半导体产品的库存量仍旧被谨慎的保持在较低水平。在基础设施上的投资都处于停滞状态，很多产能也被闲置着。在当前的经济环境下，并且还处在半导体产业的低谷周期中，半导体公司正想方设法提高效率，同时又降低成本。

在之前的经济低谷中，制造商们仔细检查设备使其提高效率的做法相当常见。即使很小的改进也可以在吞吐率和成品率上得到成比例放大的成果。如今制造商们又增加了在分子级别提高效率的方法。这种高生产率开发方法的应用可以极大的压缩代工厂引进新材料和工艺所需的时间。领先的制造商们在他们的战略军火库中又增加了一件利器——以材料和工艺创新的形式——将时间从敌人变成了盟友。

探索新材料需求

就在十年前，半导体产业使用的新材料还相当有限。自从早期IC以来，大体上采用同一类的介电材料、掺杂材料和金属材料，至多进行一些有限的精炼或成分改进。然而，随着铜的引入，这一形势开始发生巨变。现在，几乎每个技术节点都需要引入数十种新材料。

举例来说，在22nm工艺的开发中，将在近1200步的工艺中遭遇到45种新材料。目前的难题是，如果像以往那样采用一系列顺序实验的方法对合成材料的化学成分进行优化，那么将永远无法满足该工艺代的时间要求。制造商为了成功实现这样的节点转换，需要采用具有更高生产率的开发方法。新方法需要基于广为接受的开发准则并与数学相结合——但需要在单片晶圆或者配方级别进行试验——这种方法需要妥善处理排列组合的问题。高生产率的方法可以从一个阵列的可能情况中精选出几个最好的组合。它也将为实际的生产流程甄别出各种材料的最佳集成方案。

就像在后续例子中所看到的，高生产率开发还可以带来巨大的经济收益。半导体制造商之所以倾向于这种方法，不仅仅因为可以在当前的衰退中得以保全，也是一个更好的机会使他们在复苏到来之际变得更强、更具竞争力。他们正在发现，这种对备选化学品的测试方法可以加快学习流程（获得更具选择性和更有希望的结果），而所花费的时间和金钱成本却大大降低。目前该方法以及成功的应用于像CMP后清洗、大剂量注入、铜刻蚀残渣去除、高k/金属栅清洗以及其他工艺的开发中——在向下一代节点转换过程中，上述所有工艺都有可能成为瓶颈或障碍。

有效的子集

作为材料优化的核心部分，能够获得成功的关键在于，在进行了大量的平行实验之后，可以精确地获取每项单独因素的影响，之后运用已有知识来确定后续步骤。高生产率开发中，工程人员可以一次完成多达192种不同的化学品配方测试。该技术允许在测试表面的每个位置单独的控制配方、搅拌速度和曝光时间，这样在与传统筛选方法类似的时间和成本基础上，获得的数据量却丰富得多。

但除了缩短了筛选的周期之外，对半导体制造工艺流程来说，更重要的是可以引入自动化和人本经验促进的对工艺的理解来指导实验的方向。这些因素的结合可以达到快速的学习周期，并缩小关注的范围，集中到最有希望的化学配方上。之后重复这一循环，将选择出的化学品进行筛选，调整新的测试变量。

这种在晶圆上操作的筛选流程具有很大的优势。最初的工作可以在实验室完成，而无需动用生产线上的设备，并降低了开发成本。此外，用这种方法开发的化学品配方经过了经验修正，已经得到了与其他材料的关系，并可作为集成到制造流程的指导。这种方法避免了“反复试验并纠错”循环，而这一流程在新工艺开发过程中通常会消耗大量的时间和资金。高生产率开发方法还可以实现从实验室到代工厂的快速技术转移——当然在经济低谷中，代工厂有更多的时间和动机去开发新化学品，这一优势被减弱了一些。此外，如果实验使用化学品的剂量非常小，那么利润空间就会更大一些，在市场回暖时这种效应会得到放大。

解决技术瓶颈

最近随着半导体制造商开始测试32和22nm工艺代，对CMP后清洗效果的关注则随之而来。ATMI的工程人员采用了高生产率的开发方法，在三周半的时间内，在16片晶圆上进行了1300次实验。如果采用传统的实验方法，同样的测试需要至少1300片晶圆并大概需要六个月才能完成——所需的时间和成本具有数量级的差异（图1）。最终得到可以进行高效后CMP抛光的化学配方。通过这种方法开发的工艺对铜粗糙度的降低高达96%（图2）。这可以极大地延长工艺中晶圆等待的时间并使最终产品具有极好的电学性能。

图1. 采用高生产率开发方法改进了CMP后清洗，不仅提高了工艺效率，而且与传统筛选方法相比，极大的的节约了时间和资金成本。大约节约了1200片晶圆（每片200美元）并节约了熟练的实验室操作员五个月的工资，这样在晶圆和劳动力成本上共节约了约30万美元。

图2. CMP后清洗的基准条件（上图），得到粗糙的铜线条和较差的电学性能。工艺优化之后（下图），铜表面的光滑程度提高了96%，得到极好的电学性能。

在另一个例子中，一家正在开发先进的22nm节点技术的领先半导体制造商，也面临着清洗效率和材料兼容性的权衡问题。采用高生产率开发方法，工程人员发现了可用于新IC器件的材料，兼具良好清洗性能和出色兼容性。同样，如果采用传统筛选方法获得同样的结果，需要数月时间并耗费数百片晶圆。然而，由于高生产率开发方法可以获得大量数据，可以指数式的加快学习循环，因此在四个星期时间内就发现了优化方案，而且只使用了三片图形化的晶圆。

另一家公司正在寻找清洗工艺腔和晶圆卡架表面的方案。客户对清洗循环时间、温度和毒性都提出了明确的很高的规范要求。研发小组从100个备选溶剂入手，采用高生产率流程，在八周时间内就获得了一套优化的化学品配方。

值得指出的是，这种方法与其他产业已经成功实施的方法类似——对分子采用快速的表征和集成的方法可以获得巨大收益。就像生物专家正在开发攻克人类疾病的基因，或者操作探索性化合物用于新药研发方法类似，半导体产业也可以在分子级别进行化学品实验。

高生产率开发方法可以分析出每种化学品的组元并了解其最基本的作用。在相对短时间内可以进行数千次实验的能力，已经获得的知识可以让我们可能去衡量很多替代化学品。

对精选分子的相互作用进行重新设计是一个颇具威力的主意。可以将单一变化对整个工艺的影响进行放大。剔除无效化学品或者不切实际的需求，每次改进都相当于打开了一扇通向高生产力方向的大门。在这个层次上同时进行剔除性实验使得我们可以在主要备选方案上更加集中——不仅是效能的问题，而且也关系到成本、对环境的影响或一系列其他标准。此外，该流程还需要与客户的密切合作，实验的设计要建立在客户的需求基础上，在筛选和实施新材料上，可以进一步降低公司的时间和风险成本。

再次审视回报

就像前述例子中体现出来的那样，高生产率开发方法可以获得多重好处。一是工程人员可以权衡大量的可能成分，包括那些可能会带来历史性突破的创新方案。在更短的时间内探索更多的因素，这可能会改变我们传统的思维方式，例如，采用干法工艺取代原来的某种湿法工艺，或者将某种有毒物质替换成绿色的化学品。

采用高生产率开发方法的另一个动机是提高吞吐率。令人惊讶的是，一些半导体制造商在当前的衰退期还抵制这样的目标。在他们看来，提高吞吐率就是在生产线上添加额外的设备。按照这样的逻辑，新的设备需要像能量和人手这样的资源，因此开动那些限制的产能则意味着增加资本消耗和提高运营成本。但这种观点却忽略了财务准则的核心：提高每台设备的吞吐率等于更低的可变成本，无论是当前还是未来都是如此。这实际上是在任何经济条件下都值得去争取的收益。与此类似，提高的流程效率可以直接降低材料的消耗。而且很可能会减轻有害物质的产生，这也降低了与此相关的管理和运输成本。

考虑到当前经济环境对利润的压力，制造商们应该尽可能地削减可变和决策成本。但必须要进行的花费是这种具有高带动效应的研发活动，比如高生产率开发方法。这样可以有效的降低将新材料和工艺引入fab的时间和成本。最终可以缩短新产品的上市时间。在这类研发行为上的花费也代表着一家公司在未来技术节点上的投资。随着投入时间和成本的降低，高生产率开发方法可以帮助半导体制造商从分子级别的实验获得成本控制的最大收益。

Author Information

Tod Higinbotham is executive vice president of process solutions at ATMI Inc., where he is responsible for the strategy, development and introduction of new product and service solutions for the semiconductor, display and life science industries. Prior to joining ATMI 10 years ago, he served as director of sales and marketing for Advanced Silicon Materials Inc., the specialty electronic materials business unit of Komatsu Ltd. Higinbotham earned a B.S. in finance from Portland State University and holds an M.B.A. from the University of Washington.

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