芯片的這個問題，越來越難

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在半導(dǎo)體行業(yè)的大部分發(fā)展歷程中，污染問題都被視為顆粒物問題。良率損失可以追溯到異物落在不該落的地方，而工藝控制的重點在于過濾、清洗和分類。

只要顆粒尺寸能控制在臨界閾值以下，污染問題就可以通過更嚴格的潔凈室標準以及材料和工藝衛(wèi)生方面的逐步改進來規(guī)避。但在先進節(jié)點上，污染變得更加隱蔽，也更難隔離。

良率損失越來越主要由界面、殘留物和遺留的工藝狀態(tài)引起，而這些因素很少會以可見缺陷的形式出現(xiàn)。在許多情況下，污染問題的最初跡象是電學(xué)或統(tǒng)計上的，而非光學(xué)上的。器件通過了檢驗，但隨后卻出現(xiàn)了無法解釋的變異性。工藝看似穩(wěn)定，直到微小的增量變化累積起來，最終導(dǎo)致可測量的良率損失。

“在10納米時代，尺寸偏差尚可接受的程度，在埃級時代就行不通了，” Lam Research全球產(chǎn)品集團高級副總裁Sesha Varadarajan在最近的一次會議上表示。“即使人們已經(jīng)理解了光刻技術(shù)擴展的核心原理，但整個生態(tài)系統(tǒng)仍需轉(zhuǎn)型，才能從缺陷率和保真度的角度滿足新的要求。”

當(dāng)特征尺寸接近原子尺度時，即使是痕量的殘留材料或化學(xué)物質(zhì)也會以不可容忍的方式改變表面行為。清潔不再是一個非此即彼的二元條件。它與環(huán)境、工藝密切相關(guān)，并且越來越取決于表面狀態(tài)和界面歷史，而非僅僅取決于是否存在可見的殘留物。

重新定義原子尺度的污染

在尖端工藝節(jié)點上，污染不再僅僅指碎片、顆粒或可見殘留物。在原子尺度上，污染的定義發(fā)生了變化。當(dāng)化學(xué)物質(zhì)改變表面反應(yīng)、界面形成或薄膜連續(xù)性時，它本身就成為了一種污染。

這種轉(zhuǎn)變意義重大，因為它挑戰(zhàn)了人們對制造業(yè)中“清潔”一詞的長期固有認知。傳統(tǒng)的污染控制側(cè)重于排除，即阻止有害物質(zhì)進入工藝環(huán)境。但在原子尺度上，問題不僅在于進入系統(tǒng)的物質(zhì)，還在于殘留的物質(zhì)。

這種區(qū)分將污染問題重新定義為生命周期和材料問題，而非清潔度問題。殘留的表面物質(zhì)會改變反應(yīng)路徑、延遲成核，或以不易察覺的方式微妙地改變電性能。這些影響可能在源頭處不可見，但它們會向下游傳播，通常在很久之后才以變異性或可靠性問題的形式顯現(xiàn)出來。

這就是為什么先進節(jié)點上的污染越來越難以診斷的原因。其機制確實存在，但其特征是間接的。等到良率影響可以測量時，污染事件本身可能早已發(fā)生，被后續(xù)的多層處理所掩蓋，難以與正常波動區(qū)分開來。

裕量驟減和界面敏感性

行業(yè)面臨的污染挑戰(zhàn)并非源于衛(wèi)生狀況惡化，而是源于容忍度的急劇下降。曾經(jīng)在可接受的工藝裕量范圍內(nèi)的污染，如今已直接進入設(shè)備的操作窗口。

“隨著技術(shù)節(jié)點的不斷演進，可接受的污染定義也在不斷變化，”格林-特威德公司全球工程經(jīng)理拉爾夫·基亞拉沃洛蒂表示，“在7納米及以下節(jié)點，即使是微小的顆粒也被視為污染物——這需要達到原子層沉積級別的精度。曾經(jīng)被認為無害的物質(zhì)現(xiàn)在卻成了問題。”

現(xiàn)代沉積工藝依賴于極其精確的表面化學(xué)性質(zhì)。特別是原子層沉積，它依賴于可重復(fù)的表面終止和可控的反應(yīng)位點。任何殘留污染物都會改變薄膜的形成和生長方式。

“我們正努力將這些特征的精度提高到埃級，”Lam Research公司Semiverse Solutions Products的總經(jīng)理Joseph Ervin說。“哪怕一納米的偏差都至關(guān)重要。”

當(dāng)薄膜如此之薄時，其表面狀態(tài)與器件性能密不可分。曾經(jīng)影響甚微的殘留物如今卻會影響薄膜的連續(xù)性、均勻性和電性能。一旦引入這種變異性，后續(xù)工藝中幾乎無法恢復(fù)。這種裕度的喪失從根本上改變了污染控制的方式。

Synopsys公司的研究員Victor Moroz表示：“你可以一次構(gòu)建一個原子，觀察表面反應(yīng)以及下一個原子如何與前一個原子連接。你試圖通過化學(xué)反應(yīng)，使單層不斷生長。偶爾會出現(xiàn)一些缺陷，這時就無法獲得100%的保形涂層。”

在埃級精度下，變異本身就成了產(chǎn)量限制因素。污染不再需要非常嚴重才會造成損害，它只需要持續(xù)存在即可。

無需暴露即可污染

現(xiàn)代污染最具破壞性的方面之一是，污染物無需環(huán)境暴露、操作失誤或機械故障即可進入生產(chǎn)流程。一些影響最為深遠的污染途徑在看似密封良好的工具內(nèi)部持續(xù)且隱蔽地發(fā)生。

在沉積系統(tǒng)中，諸如彈性體密封件之類的聚合物部件會暴露于真空、反應(yīng)性等離子體和反復(fù)的熱循環(huán)中。在這些條件下，污染通常并非源于災(zāi)難性泄漏，而是源于分子滲透和等離子體誘導(dǎo)的材料相互作用。

Chiaravolloti表示：“我們觀察到的源自這些彈性體部件的主要污染途徑是滲透。特別是氧氣滲透，會帶來重大風(fēng)險，因為它會直接在這些超薄ALD層中造成缺陷。”

在這種情況下，氧氣并非一定從密封件本身釋放出來。相反，包括大氣中的氧氣在內(nèi)的小分子可以在正常工作條件下滲透到聚合物材料中。即使沒有破損，分子通過密封路徑的傳輸也會將痕量氧氣引入到原本符合嚴格真空規(guī)范的沉積環(huán)境中。

在原子級沉積厚度下，痕量氧會改變原子層沉積 (ALD) 過程中的表面行為，從而改變成核行為或薄膜化學(xué)計量比。

等離子體暴露增加了第二種機制。活性物質(zhì)，例如臭氧、鹵素自由基和氫等離子體，可以與彈性體表面相互作用，導(dǎo)致化學(xué)侵蝕、重量損失和揮發(fā)性副產(chǎn)物的產(chǎn)生。

“直接等離子體——物理等離子體或離子轟擊——更多的是一種機械侵蝕效應(yīng)，”基亞拉沃洛蒂說。“遠程等離子體則代表著對材料的自由基或化學(xué)侵蝕，因此你會看到那種化學(xué)失效。”

在反復(fù)接觸的情況下，這些反應(yīng)會增加殘留化合物或降解碎片的逸出，從而將低濃度的揮發(fā)性有機化合物 (VOC) 或氟化無機物引入反應(yīng)室環(huán)境中。

由于滲透和等離子體誘導(dǎo)降解是連續(xù)的而非間歇性的，它們的影響是逐漸累積的。可能不會出現(xiàn)異常事件、突發(fā)泄漏或顆粒物激增來觸發(fā)警報。當(dāng)產(chǎn)量受到影響時，污染途徑可能已經(jīng)活躍了數(shù)月之久。

這些機制之所以難以管理，是因為它們繞過了傳統(tǒng)的污染控制措施。顆粒監(jiān)測器、空氣過濾和暴露規(guī)程旨在防止外部環(huán)境的入侵，但它們無法解決分子在完整材料中的傳輸或等離子體驅(qū)動的表面化學(xué)反應(yīng)等問題。

Chiaravolloti表示：“從最初的配方和加工到最終的包裝，整個生產(chǎn)過程都必須貫徹潔凈原則。事實上，我們是第一家在潔凈室環(huán)境下進行生產(chǎn)的全氟橡膠生產(chǎn)商，而這種做法如今已成為行業(yè)標準。”

在先進工藝節(jié)點上，污染控制越來越多地從材料選擇、密封幾何形狀和滲透路徑工程開始，而不是從后處理清洗開始。

隱形污染

隨著污染機制發(fā)展到無法直接觀察的程度，其影響越來越多地表現(xiàn)為變異性而非離散缺陷。檢測和計量仍然至關(guān)重要，但它們已無法提供表面或界面層面發(fā)生情況的完整信息。挑戰(zhàn)不在于缺乏數(shù)據(jù)，而在于缺乏可見性。

Onto Innovation產(chǎn)品營銷總監(jiān)韓宇英表示：“缺陷分類在半導(dǎo)體制造中扮演著至關(guān)重要的角色，區(qū)分影響良率的異常缺陷和良性瑕疵對于工藝控制至關(guān)重要。致命缺陷的特點是極有可能引發(fā)功能性故障，包括參數(shù)規(guī)格違規(guī)、電路開路或短路、可靠性下降或阻礙下游工藝。未能檢測到這些缺陷會導(dǎo)致故障漏報，最終造成客戶報廢。”

這種區(qū)別至關(guān)重要，因為并非所有缺陷對良率的影響都相同。非活性區(qū)域中的顆粒可能肉眼可見，但無害。細微的界面不規(guī)則性可能肉眼不可見，但卻會造成災(zāi)難性后果。如果沒有可靠的分類方法，晶圓廠要么過度檢查良性缺陷，要么漏檢關(guān)鍵故障。在先進工藝節(jié)點上，污染機制在直接觀察不到的范圍內(nèi)發(fā)揮作用，因此，看似缺陷的因素與真正限制良率的因素之間的差距會越來越大。

韓教授表示：“雖然檢測過程中可以觀察到一些無關(guān)緊要的缺陷，但它們對器件的電氣性能或功能良率的影響微乎其微。典型的例子包括非關(guān)鍵性表面顆粒、器件有源區(qū)外的微小凹坑以及工藝引起的噪聲。如果將這些缺陷錯誤分類，可能會導(dǎo)致不必要的晶圓返工、人為造成的良率損失以及生產(chǎn)效率下降。”

挑戰(zhàn)不在于缺乏數(shù)據(jù)，而在于缺乏透明度。

韓補充道：“要準確區(qū)分致命缺陷和干擾缺陷，需要系統(tǒng)地關(guān)聯(lián)檢測結(jié)果、晶圓級電學(xué)測試（參數(shù)測試和最終測試）以及失效分析。一旦確定了視覺特征，自動缺陷分類（ADC）即可作為自動分類的標準方法。”

計量技術(shù)可以捕捉到這種行為的瞬間，但其固有的稀疏采樣使得許多此類影響難以直接檢測。微小的表面或界面偏差可能在檢測過程中永遠不會觸發(fā)警報，但它們足以改變電氣特性，從而造成下游風(fēng)險。污染往往能躲過篩選，并在后期演變?yōu)榭煽啃詥栴}。

西門子EDA產(chǎn)品管理總監(jiān)Joe Kwan在最近的一次會議上表示：“實際上，你只能對某些芯片進行一些計量，甚至不是對整個芯片，而是對芯片的某些部分進行計量。你實際收集到的數(shù)據(jù)非常稀疏。”

這種稀疏的數(shù)據(jù)會掩蓋一些軟缺陷——這些連接雖然還能正常工作并通過測試，但其性能已有所下降，足以造成現(xiàn)場故障。這就是污染如何逃脫傳統(tǒng)控制策略的原因。它隱藏在可接受的限值范圍內(nèi)，通過了驗證，只有在設(shè)備部署后才會顯露出來。

污染和系統(tǒng)性故障

當(dāng)與污染相關(guān)的缺陷顯現(xiàn)出來時，它們往往已被多層加工工序所掩蓋。此時，幾乎不可能找出單一的根本原因。原因之一是污染很少源于單一步驟，而是在不同的流程、工具和時間中不斷累積。

從光刻到金屬化再到最終封裝，污染必須持續(xù)得到控制，因為流程早期產(chǎn)生的缺陷可能要到后期才會顯現(xiàn)其影響，否則將難以察覺。

雖然原子級污染的重要性日益凸顯，但晶圓廠仍然需要關(guān)注更大的宏觀缺陷以及介于兩者之間的所有缺陷。

“在每個掩模層級，我們都會看到來自晶圓廠各個角落的缺陷，” Microtronic的應(yīng)用總監(jiān)Errol Akomer說道。“你會看到典型的光刻缺陷，例如熱點、閃光場和旋涂缺陷，但我們也會遇到化學(xué)機械拋光缺陷、旋涂玻璃、多晶硅霧化以及蝕刻或沉積問題。”

這種分布使得污染成為一個系統(tǒng)級問題，而非局部故障。但一旦缺陷被金屬化層和封裝層覆蓋，后期檢測就很難發(fā)現(xiàn)其根源。

“如果你只依賴最終檢驗或出廠檢驗，你根本不可能發(fā)現(xiàn)隱藏在所有金屬層下面的缺陷，”阿克默說。

抽樣、漏檢與控制的錯覺

污染相關(guān)缺陷的持續(xù)存在并非僅僅是檢測能力的問題，也是檢測和控制策略圍繞著一些不再成立的假設(shè)而演變的結(jié)果。隨著器件尺寸的縮小，業(yè)界過度依賴高分辨率檢測工具和選擇性抽樣，通常認為在較少的晶圓上發(fā)現(xiàn)較小的缺陷就足以保證良率。

當(dāng)污染在整批材料中分布不均，或源于上游且取樣無法捕捉到時，上述假設(shè)便不再成立。一旦污染被埋沒在互連層下方，檢測就很大程度上變成了事后補救。此時，即使能完全觀察到污染，也幾乎無法進行糾正。缺陷已根深蒂固，任何修復(fù)都必須在下游進行，而且往往成本高昂。

這種動態(tài)有助于解釋為什么污染越來越多地表現(xiàn)為可靠性風(fēng)險，而非初始良率損失。器件可能通過探針測試和最終測試，但在后續(xù)的壓力測試中失效。污染事件本身可能發(fā)生在生產(chǎn)過程的早期，但其影響會延遲到運行條件下裕量崩潰時才會顯現(xiàn)。

“這些是傷痕累累的產(chǎn)品——它們通過了測試，但它們不一定是性能最強的芯片，”Microtronic 的營銷副總裁 Mike LaTorraca 說。

“傷兵”的概念凸顯了一個關(guān)鍵點。先進節(jié)點的污染并不總是會導(dǎo)致明顯的故障。更多時候，它會削弱結(jié)構(gòu)，使其勉強通過篩選，但最終會在實際應(yīng)用中失效。這種情況比早期報廢更具破壞性，因為它將制造問題轉(zhuǎn)化為面向客戶的可靠性問題。

時間作為污染變量

現(xiàn)代污染中最不直觀的方面之一是時間的作用。傳統(tǒng)的污染模型往往側(cè)重于離散事件——加工過程中的暴露、操作失誤或設(shè)備故障。在先進節(jié)點上，污染通常是隨著時間的推移悄然積累，而不是由單一觸發(fā)事件引起的。

滲透、等離子體誘導(dǎo)的材料降解和環(huán)境暴露都在持續(xù)發(fā)生。隨著晶圓在晶圓廠內(nèi)移動、在工序間等待以及經(jīng)歷反復(fù)的工藝循環(huán)，這些因素的影響會不斷累積。晶圓在系統(tǒng)中停留的時間越長，細微的污染機制影響其表面狀況的機會就越大。

密封件劣化體現(xiàn)了這種動態(tài)過程。在反復(fù)循環(huán)作用下，單次接觸并不會徹底破壞密封件。相反，損害是累積性的，并且會相互作用。

“等離子體暴露和材料在這種強等離子體化學(xué)作用下抵抗重量損失的能力，以及它開始產(chǎn)生壓縮永久變形的方式，決定了密封件在這些應(yīng)用中的使用壽命，”格林·特威德公司的基亞拉沃洛蒂說道。

同樣的原理也適用于工具本身。工藝腔室并非靜態(tài)系統(tǒng)。在維護間隔期間，它們的物理結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化，從而可能改變工藝結(jié)果。

這種時間維度使檢測和控制都變得復(fù)雜。可能沒有哪個單一的工藝步驟需要歸咎，沒有哪個異常情況需要標記，也沒有一個清晰的界限區(qū)分可接受的偏差和污染引起的風(fēng)險。相反，系統(tǒng)會逐漸發(fā)生漂移。負責(zé)處理最敏感工藝的Fab廠會通過縮短校正間隔來應(yīng)對。

“在最先進的晶圓廠里，他們制造的晶體管只有1.4納米，保持系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)的價值是巨大的，”基亞拉沃洛蒂說。“他們可能每隔幾周就要進行一次預(yù)防性維護，以確保絕對沒有污染。”

這就是為什么污染問題越來越難以用傳統(tǒng)的根本原因分析方法解決。其機制分散、隨時間變化，而且往往相互作用。等到產(chǎn)量或可靠性發(fā)生變化時，最初的條件可能已經(jīng)不復(fù)存在了。

從檢測到推斷

隨著污染機制逐漸變得難以直接觀察，晶圓廠被迫重新思考如何實現(xiàn)控制。檢測和計量仍然必要，但它們本身已不再足夠。控制越來越依賴于推斷——將稀疏的測量數(shù)據(jù)與設(shè)計意圖、工藝歷史和系統(tǒng)行為關(guān)聯(lián)起來，從而推斷出那些無法直接觀察到的因素。

這種轉(zhuǎn)變反映了制造業(yè)不確定性管理方式的更廣泛變化。晶圓廠不再試圖測量每一個變量，而是必須決定哪些變量可以有足夠的把握進行推斷，從而指導(dǎo)決策。

“理想的情況是測量每個位置、每個芯片、每片晶圓。大家都知道這樣做成本太高了，”Kwan說道。

稀疏測量并非系統(tǒng)缺陷，而是經(jīng)濟現(xiàn)實。真正的挑戰(zhàn)在于如何在這種限制下高效運作，尤其是在污染效應(yīng)可能永遠無法直接觀測到的情況下。

基于推斷的方法試圖通過整合有關(guān)設(shè)計、流程和歷史行為的已知信息來彌合這一差距。當(dāng)無法直接觀察到污染時，必須根據(jù)系統(tǒng)的響應(yīng)方式進行推斷。

“我們現(xiàn)在有了這個模型，即使數(shù)據(jù)稀疏，也能預(yù)測各項電氣指標的最終結(jié)果，”Kwan說道。“這款芯片未來發(fā)生故障的概率是多少？”

在此框架下，污染成為一個潛在變量。它無法直接測量，而是通過其對電性能、變異性和長期可靠性的影響來推斷其存在。控制策略也從檢測轉(zhuǎn)向預(yù)測。

為什么單純的清潔不再奏效？

對推斷的日益依賴也反映了糾正措施的局限性。在先進節(jié)點上，一旦污染物改變了界面或削弱了結(jié)構(gòu)，往往就無法清除。在較大幾何結(jié)構(gòu)中可能恢復(fù)已知基線的清潔步驟，在原子尺度上卻可能引入新的風(fēng)險。

強力清洗會改變表面狀態(tài)，留下殘留物，或加劇材料劣化。在某些情況下，清洗會將一種污染機制轉(zhuǎn)化為另一種。認為清洗可以重置系統(tǒng)的假設(shè)不再普遍成立。

相反，必須主動管理污染。這意味著盡可能從工程上消除污染，在無法消除污染的情況下限制其影響，并了解污染如何與時間、工藝歷史和系統(tǒng)設(shè)計相互作用。

這就是為什么污染控制越來越涉及以往各自獨立的學(xué)科領(lǐng)域。材料選擇、工具設(shè)計、工藝流程、處理基礎(chǔ)設(shè)施和數(shù)據(jù)分析都會對最終結(jié)果產(chǎn)生影響。任何單一因素都無法單獨發(fā)揮作用。

結(jié)論

在技術(shù)前沿，污染已經(jīng)超越了以往定義它的工具。它不再以顆粒、劃痕或可見缺陷的形式出現(xiàn)，而是隱藏在界面、化學(xué)反應(yīng)以及瞬態(tài)相互作用中，這些過程難以直接觀察。

在這樣的條件下，能夠成功的晶圓廠并非擁有最潔凈的潔凈室或最嚴格的檢測策略的晶圓廠，而是那些將污染視為一種潛在的系統(tǒng)級變量，并構(gòu)建起間接管理污染能力的晶圓廠。

這需要嚴謹?shù)脑O(shè)計來防止污染物進入系統(tǒng)，需要對過程有深刻的理解來預(yù)測其演變過程，還需要建模來推斷無法直接測量時污染物的存在。隨著可觀測性的降低，預(yù)測行為的能力與測量行為的能力同等重要。

在高級節(jié)點上，污染不再能被徹底消除。它必須在特定情境下進行限制、推斷和管理。在這種模式下，“清潔”不再是一種條件，而是一種持續(xù)協(xié)商的狀態(tài)。

https://semiengineering.com/when-cleaning-chips-isnt-clean-enough/

（來源：編譯自semiengineering）

*免責(zé)聲明：本文由作者原創(chuàng)。文章內(nèi)容系作者個人觀點，半導(dǎo)體行業(yè)觀察轉(zhuǎn)載僅為了傳達一種不同的觀點，不代表半導(dǎo)體行業(yè)觀察對該觀點贊同或支持，如果有任何異議，歡迎聯(lián)系半導(dǎo)體行業(yè)觀察。

今天是《半導(dǎo)體行業(yè)觀察》為您分享的第4325期內(nèi)容，歡迎關(guān)注。

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