De problemen met de toeleveringsketen van de halfgeleiderindustrie leiden tot enkele innovatieve oplossingen en tijdelijke oplossingen, en hoewel ze niet alle problemen oplossen, verbeteren ze de efficiëntie en verlengen ze de levensduur van de apparatuur.

De tekorten, die van invloed zijn op alles, van de chips die worden gebruikt in auto-, IoT- en consumenten-IC's tot de apparatuur die wordt gebruikt om ze te produceren en te testen, omvatten wereldwijde toeleveringslijnen. Ze veroorzaken vertragingen bij de installatie van procestools, apparatuurtekorten en inconsistenties in grondstoffen en grondstoffen, waaronder gassen, KrF-fotoresists, CMP-slurries en zelfs roestvrij staal. Die problemen kunnen niet snel of gemakkelijk worden opgelost, en ze zijn zo onderling verbonden met andere onderdelen en processen dat alleen het toevoegen van meer capaciteit in één gebied niet alle problemen oplost. ASIC-tekorten kunnen zowel te wijten zijn aan problemen met testers, fotoresistfilters en verpakkingssubstraten als aan de apparatuur en materialen die worden gebruikt om die wafers rechtstreeks te verwerken.

"Naast FPGA's, die extreem lange doorlooptijden hebben, gebruikt ATE een aantal aangepaste ASIC's die moeten vechten voor fantastische capaciteit", zegt Ken Lanier, strategisch business development manager bij Teradine. "We hebben lang geleden agressief in materialen geïnvesteerd en hebben redelijke doorlooptijden voor onze klanten kunnen handhaven. We hebben veel mensen die de taak hebben om materiaal te krijgen wanneer we het nodig hebben.”

Ironisch genoeg zijn het juist de tools die mogelijk worden gemaakt door halfgeleidertechnologie - AI, machine learning, digitale tweelingen, enz. - die een verbeterde coördinatie van de fab-verpakking mogelijk maken, opbrengstproblemen sneller identificeren, toeleveringsketens onder controle krijgen en de industrie helpen uitstekende groei te realiseren in een omgeving met beperkte personeelsbestand.

Nate Baxter, voorzitter van TEL, wees op de integratie van digitale tools door het bedrijf in IC-ontwerp, procesapparatuur, metrologie (virtueel en hardware), en legde uit hoe die tools worden gebruikt in de centra van uitmuntendheid van het bedrijf, zoals het Amerikaanse hoofdkantoor voor R&D, productie en gereedschapsintegratie in Albany, NY. Hij zei dat het bedrijf presteert EUV lithografie, FEOL, BEOL en heterogene integratie voor verpakkingen in het centrum, en dat TEL-apparatuur momenteel meer dan 15,000 sensoren gebruikt om snellere procesdiagnostiek, geavanceerde procescontrole en data-analyse mogelijk te maken.

Fig. 1: Om de groeiprognoses van de industrie te realiseren, passen fabrieken technologieën toe die een hogere opbrengst, productiviteit en slimme productie mogelijk maken. Bron: TEL, SEMI ISS

Tijdens de recente Advanced Semiconductor Manufacturing Conference (ASMC) gingen verschillende lezingen over het gebruik van machine learning en AI in fabrieken om de opbrengst, de gereedschapsprestaties en de operationele efficiëntie te verbeteren. Op toolniveau verbetert geavanceerde modellering processen, voorraadbeheer en componentgebruik. In een wafelverwerkingstool kan de levenscyclus van een bepaald onderdeel bijvoorbeeld variëren op basis van de procestemperatuur, chemie en andere factoren.

“Halfgeleidergereedschappen zien grote variatie in procesomstandigheden tussen klant tot klant, gereedschap tot gereedschap en de locatie van componenten binnen het gereedschap. Deze factoren hebben allemaal een grote invloed op de betrouwbaarheid van de onderdelen. Bijvoorbeeld, twee pneumatische kleppen - een die wordt blootgesteld aan zware omgevingsomstandigheden, de tweede die werkt onder gevestigde omgevingsomstandigheden binnen hetzelfde gereedschap - kunnen een verschillende levensduur hebben", legt Swajeeth Panchangam, betrouwbaarheidsingenieur bij Lam Research.

Lam ontwikkelde een nieuw betrouwbaarheidsmodel voor de levenscyclus van componenten, waarbij in dit geval werd vastgesteld dat dezelfde O-ring op betrouwbare wijze 40% minder wafers kan verwerken wanneer deze wordt onderworpen aan een proces met een hogere temperatuur ten opzichte van een lagere procestemperatuur. Panchangam merkte op dat een dergelijk model ingenieurs helpt om de vereiste inventaris beter te plannen en preventief onderhoud te plannen op basis van real-world componentmodellering.

In sommige gevallen passen ingenieurs hun processen aanzienlijk aan om de opbrengst en de kwaliteit van de geproduceerde chips te verbeteren, wat een welkom voordeel heeft van een langere levensduur van de componenten. Micron's 300 mm geheugenfab kreeg te maken met klantretouren die werden teruggevoerd op een onvolledige bitlijnetsing veroorzaakt door moleculaire verontreiniging in de lucht in een inductief gekoppelde plasma-etser.

"We hebben een nieuwe CPP-etsing (Continuous Plasma Process) ontwikkeld die drukstabilisatie tussen verschillende etsstappen elimineert, samen met een verbeterde waferless room clean (WCC) om systematische opbrengstafwijkingen te elimineren en de klantteruggave van dit faalmechanisme te elimineren," zei Jeff Ye , vooraanstaand lid van de technische staf bij Micron.

Maximale betrouwbaarheid van componenten en gereedschappen
Het modelleren van de levenscyclus van componenten is moeilijk uit te voeren vanwege de uiteenlopende procesomstandigheden waarmee wafers worden geconfronteerd.

"Er is een sterke behoefte aan een systematische richtlijn voor het modelleren van de levensduur van halfgeleidercomponenten met behulp van veldgegevens", zegt Lam's Panangam. Hij merkte op dat ingenieurs bij het schatten van de levensduur van componenten doorgaans gebruik maken van empirische modellen. Het probleem is dat deze over het algemeen conservatief zijn, waardoor de levensduur van componenten wordt verkort met onnodige vervangingen en hogere kosten als gevolg van frequentere vervanging van onderdelen en systeemuitval. Hij zei ook dat superieure levenscyclusmodellering een optimale planning van preventief onderhoud en voorraadopslag mogelijk maakt van precies wat nodig is, wanneer het nodig is. Fabs verwachten tegenwoordig een beschikbaarheid van gereedschap in het bereik van 90%.

"We stellen een model voor dat gebruikmaakt van veldgegevens, faalwijzen scheidt en de fysica van hoofdoorzaken begrijpt (zie figuur 2)", zei Panagam. “We identificeren de bedrijfsomstandigheden op de nieuwe applicatie en kijken of faalmechanismen veranderen of hetzelfde blijven.”

De case study is van een O-ring die een plafondcomponent is tussen de remote plasma clean kit en de isolatieklep boven de douchekop in de distributiebuis van de remote plasma clean van een etser (zie figuur 3).

Het bestaande proces, met agressieve proceschemie en temperatuur, vindt plaats bij hogere temperaturen in het nieuwe proces. Het stochastische model (Coffin-Manson life stress model) schat de levensduurverdeling bij de nieuwe bedrijfstemperatuur. Een kostenfunctie werd gebruikt om de optimale tijd voor O-ringvervanging te bepalen. (Het technische team rapporteerde de procestijd in uren om het onderdeel te vervangen, hoewel het aantal verwerkte wafers daadwerkelijk werd bijgehouden, om de gegevens van de klant te beschermen.) Panangam's team bepaalde de storingsmodus (O-ringslijtage als gevolg van chemische aanval) was hetzelfde, maar de optimale levensduur voor de O-ring was 2,500 uur versus 4,000 uur bij de lagere, vroegere procestemperatuur. De resultaten helpen bij het plannen van het juiste PM-interval voor dit proces en het onderhouden van voldoende onderdelenvoorraad. "Als we nu moeten bellen met betrekking tot een onderdeel, begeleiden de model- en kostenfunctie mogelijke vervanging in een productieomgeving", zei Panagam.

Fig. 2: De optimale vervangingscyclus is gebaseerd op stochastische modellering, betrouwbaarheidsanalyse van faalwijzen en acties, en een kostenfunctie. Bron: Lam Research, SEMI ASMC

O-ringslijtage in Remote Plasma Clean Kit van Etcher

Afb. 3: De vervangingscyclus van de RPC-kit veranderde van 4,000 naar 2,500 uur (waferequivalenten) met de hogere thermische belasting op basis van veldgegevens. Bron: Lam Research, SEMI ASMC

Levenscyclusmodel, kostenfunctie biedt vervangingstijd voor O-ringen
Betrouwbaarheids- en procesingenieurs bepalen af ​​en toe dat veldstoringen worden veroorzaakt door systematische gereedschapsproblemen. Dit tweede voorbeeld laat zien hoe een bestaand proces opnieuw werd ontworpen om de hoofdoorzaak van veldstoringen aan te pakken, waardoor de procesdoorvoer aanzienlijk werd verbeterd en de vervangingskosten voor onderdelen werden verlaagd.

In zijn DRAM-faciliteit in Manassas, Virginia, ontwikkelde Micron een nieuw continu plasmaproces op zijn 300 mm ICP-etser met een verbeterde waferless room clean (WCC). Het bedrijf had te maken met een klein aantal storingen in het geheugenapparaat en de defecte matrijs was geconcentreerd in de wafercentra (zie figuur 4). Het technische team veronderstelde dat de defecten kunnen worden veroorzaakt door puin dat van de ICP-etsinjector op de wafer valt in tijden dat de plasma-DC-bias niet aan was.

"We hadden jarenlang moeite om dit probleem op te lossen met verschillende procesverbeteringen, maar we besloten om een ​​idee voor een continu plasmaproces te introduceren en ook een nieuwe waferless room clean (WCC) om het probleem voor altijd op te lossen," zei Micron's Ye, die de presentatie van de nieuw proces bij SEMI's recente ASMC.

Het probleem van moleculaire vervuiling in de lucht veroorzaakte onnodige uitvaltijd van het gereedschap (om de injector te vervangen, die opnieuw werd bewerkt), maar het belangrijkste was dat het apparaat van de klant werd geretourneerd. De geïntegreerde, meerstaps ets- en kamerreiniging heeft ongeveer 20 stappen. Voor het nieuwe proces gebruikte Ye's team 300 mm prime-wafers voor in-line karakterisering en sonde, met SEM/EDX om verontreinigingen te identificeren en TEM om bit-line CD-metingen en profielen te onderzoeken. Micron besloot een continu plasma-etsproces te implementeren omdat de stabiliteitsstappen tussen trimets, hardmask 1, 2, enz. vervuiling veroorzaakten.

"Net als een koelkast helpt het niet om hem uit en weer aan te zetten, en de plasma-etskamer is vergelijkbaar," zei Ye. “Dat leidde tot het continue plasmaproces (CPP) en een verandering in de waferless clean van lagedruk- naar hogeredrukplasma om meer radicalen in het plasma te activeren voor superieure verwijdering van fluorkoolwaterstoffen. De WCC bestaat uit drie stappen: agressieve plasma-etsing, O₂ branden, dan een diëlektrische conditioneringsstap om de kamer te coaten, "zei Ye. "We hebben de verhouding van de binnen-naar-buiten gasinjector aangepast om de ophoping van vuil op de injectorwand beter te verwijderen."

De uiteindelijke parameteraanpassingen van het procesrecept leidden tot uniforme bitlijn-etsprofielen. Het resultaat van Micron toonde een opbrengstverbetering van 1%, een aanzienlijke verbetering van de gereedschapsdoorvoer dankzij een 8% kortere onbewerkte procestijd, minder uitvaltijd van het gereedschap voor opbrengstafwijkingen en lagere kosten voor nieuwe en herwerkte gasinjectoren voor de ICP-etser.

"Nu hoeven we de injector niet vaak te vervangen, hebben we minder opbrengstafwijkingen, hebben we superieure bitlijncontrole en profielen (zie afbeelding 5) en vermijden we autorisaties voor retourmateriaal van onze klanten," zei Ye. “Deze nieuwe, bekendste methode (zie figuur 6) gaan we overdragen naar de geavanceerde technologieknooppunten.”

Fig. 4: Vervuiling van het wafercentrum veroorzaakte geheugenbitlijnstoringen veroorzaakt door onvolledige etsing. Bron: Micron, SEMI ASMC

Fig. 5: Verbeterde bitlijnprofielen waren het resultaat van continue plasma-etsing in de kamer, geoptimaliseerde injectorstroom en geoptimaliseerde conditionering voorafgaand aan het proces van wafeletsen. Bron: Micron, SEMI ASMC

Fig. 6: Het nieuwe proces elimineert stabiliserende overgangen tussen etsstappen en optimaliseerde de WCC om meer bijproduct te reinigen voor een langere levensduur van de componenten. Bron: Micron, SEMI ASMC

Conclusie
De industrie past steeds meer aspecten van slimme productie toe, waaronder nieuwe modellen voor het schatten van de levensduur van componenten en diagnostiek met behulp van meerdere gereedschapssensoren om vroege indicaties te krijgen van proces- of opbrengstproblemen. Engineering-oplossingen van tool tot fab-niveau zullen geavanceerdere modellering, machine learning en feedbackmechanismen bevatten om problemen sneller op te lossen en ervoor te zorgen dat tools en fabs goede apparaten blijven produceren.

Referenties

1. S. Panchangam en K. Gowdaru, "Stochastisch gebaseerd betrouwbaarheidsmodel voor optimaal gepland onderhoud van halfgeleiderprocestools, SEMI ASMC, mei 2022.
2. J. Ye, J. Lee en M. Davis, "Continu plasma-etsproces met waferless Chamber Clean-optimalisatie voor defectreductie door centruminjectorschaduw te elimineren", SEMI ASMC, mei 2022.