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集成电路产业的特点之一是高次品率,这就意味着要获得高成品率,必须付出比较大的人力 ...

2015-3-3 10:40| 发布者: lfcx| 查看: 122| 评论: 0

摘要: 集成电路产业的特点之一是高次品率,这就意味着要获得高成品率,必须付出比较大的人力、物力和财力的代价。集成电路制造的成品率Y定义为: 集成电路制造的一个重要目标是减少缺陷,加快成品率斜线上升的速度,提高日 ...

 集成电路产业的特点之一是高次品率,这就意味着要获得高成品率,必须付出比较大的人力、物力和财力的代价。集成电路制造的成品率Y定义为:

        

        集成电路制造的一个重要目标是减少缺陷,加快成品率斜线上升的速度,提高日益复杂的器件的成品率。集成电路的成品率可以采用成品率模型进行量化,有利于评估为减小芯片面积或硅片尺寸而更改设计规则的代价,也用于估计新产品的生产成本。通用的成品率模型主要有:

        1.泊松模型(指数模型):(其中A为芯片有效面积,D为缺陷密度)

        假设整个硅片缺陷密度均匀,且硅片之间完全相同。适用于低密度的中等集成电路。

        2.墨菲模型:

        广泛应用的成品率预测模型。假设缺陷密度在硅片上和硅片之间都不相同,存在中央趋势:中心缺陷密度低,边缘缺陷密度高。是预测VLSI和ULSI成品率的优秀模型。

        3.Seed模型:

        也假设硅片上和硅片之间存在不同缺陷变化,适用于VLSI和ULSI技术的硅片。

        成品率模型在模拟稳定的制作工艺时有效,这意味着随机缺陷造成的芯片失效是可以预测的。对于非随机缺陷(如芯片设计的修改)造成的芯片失效,这些模型是无法预测的。此外,除了以上的通用成品率模型,集成电路制造领域实际使用的成品率模型还有很多,它们大多适用于特定公司的产品和制作工艺。开发精确的成品率模型是很多公司正在进行的工作,而且具体的成品率统计数据常常被当做公司商业机密。

        实际上,影响集成电路成品率的因素多种多样,包括硅片直径、芯片尺寸、晶体缺陷、工艺成熟性以及工艺步骤数等等。硅片直径越大,边缘不完整芯片所占比例越小。例如200mm硅片边缘不完整芯片所占比例为14.5%,而300mm硅片的这一数字为10.8%。

        芯片尺寸是影响成品率的另一个重要因素,例如:一个2英寸硅片,缺陷密度为1∕cm2,如果加工面积为10mm*10mm的芯片,可加工数为12,其中4个无缺陷,成品率为33%;如果加工面积为5mm*5mm的芯片,可加工数57,其中41个无缺陷,成品率为72%(如图2.1所示)。

    

    图2.1 芯片尺寸对成品率的影响

        那么,减小芯片面积是提高成品率的有效方法吗?要达到减小芯片面积的目的,可以缩小线宽、提高集成度,但这会受到物理、技术和成本的限制,并使致命缺陷数目增加。所谓致命缺陷,就是位于器件关键部位并使器件产生致命性失效的缺陷(如图2.2所示)。有研究表明,线宽减半,潜在危害的缺陷数目会增加4~8倍。

    

    图2.2 致命和非致命缺陷

        缺陷是可能引起产品失效的任何事物。不完善的工艺控制、可靠性问题、微粒以及制造环境中其他类型污染物都是缺陷的来源,我们可以把缺陷归纳为两类:其一为系统缺陷,即工艺错误、设备故障、工艺能力的局限性、起始材料的不纯和设计错误等;其二为随机缺陷,即保护膜上的针孔、颗粒在硅片上的粘附、金属线的腐蚀等。

        缺陷在器件工艺成品率、器件效能、器件可靠性三个特定功能领域对工艺过程和器件产生影响。通过降低缺陷密度,可以使成品率得到提高。如果芯片面积已知,根据模型可计算出不同成品率所要求芯片的缺陷密度。例如,芯片面积10cm2,成品率要求99%时,采用泊松模型计算的缺陷密度为:

        

        这意味着,三个12英寸(300mm)硅片上的致命缺陷数只允许有2个,这是非常高的洁净度指标,传统的洁净室系统即使技术上能满足要求,但是造价昂贵、运行费用高对成本的影响将会很大。

        工艺成熟性以及工艺步骤数也是影响成品率的重要因素。器件总成品率一般有两种计算方式,一为成品率系统分量和随机分量的乘积(Ytotal = Ysystematic ×Yrandom),二为工艺各步骤成品率的乘积(Ytotal = ∏Yi)。成品率低通常发生在量产早期,因此芯片的价格在新产品引入的阶段是最高的。此后,随着工艺成熟性的提高,成品率(特别是成品率随机分量)逐渐提高,芯片的生产成本迅速下降(如表2.1所示)。

    表2.1 某芯片产品在量产不同阶段的成品率变化

    

        此外,工艺步骤增加,获得高成品率的难度会随之增大。例如,对于一个64KDRAM,当工艺步骤为100步,每步成品率为99%时,总成品率Ytotal约为37%;而对于一个4GDRAM,工艺步骤为500步,每步成品率仍为99%,则Ytotal<1%,这是任何生产厂家都无法接受的。如果总成品率Ytotal要达到95%,每步成品率必须提高到99.99%。

        百分之一成品率的价值是多少?假如整个制造厂的平均成品率是70%,假如制造厂芯片总收入是6亿美元,成品率由70%提高到71%,意味着多出1.4%的芯片,或是增加840万美元的收益。可见,每百分之一成品率的提升都有巨大价值。因此,为减少缺陷和提高成品率,必须促进缺陷来源的探测、控制、减少、消除和预防。


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