缺陷管理
提高制造生产率与降低测试晶片成本 Ming Li、Lisa Cheung 和 Mark Keefer – KLA-Tencor Corporation
使用 Surfscan SP2 检测系统可以延长某些监控晶片的重复利用寿命，减少对新测试晶片的需求，从而达到降低生产 成本的目的。对于一家大型的代工厂来说，这种新技术可以提高内部循环利用率，减少 15% 的重新抛光率，相当于每 年节约三百万美元以上。
当今的晶片制造厂必须注意在提高生产率与降低可变成
检测。增加的缺陷采用传统的后减前计数法来计算，或
本之间保持平衡。工艺控制（测量与检测）设备在几个
者采用更复杂的图对图缺陷重叠比较（参考材料 1）。
主要方面有助于将可变成本降至最低。第一是减少耗材
后扫描检测结果可显示出因工艺工具而增加的任何缺
— 尽可能减少用于无收益操作的晶片（即试验晶片）的
陷，以每个晶片通道 (PWP) 增加的微粒数表示。
数量。第二是通过减少每年的维护周期数以及减少因解 决工艺偏移误报而损失的时间，从而提高工艺设备的生
工艺工具监控程序
产率。本文将更为详细地探讨这些问题，以确定在领先
工艺工具监控程序的第一步是按等级对试验晶片分类。
的 65 纳米设计规则代工厂中降低试验晶片成本的有效
等级（通常为 A、B 或 C）指的是适合于不同监控应用
方法。
的试验晶片的质量，此处即是其表面粗糙度，因为光滑 晶片上的小尺寸微粒检测比粗糙晶片上的更为可靠。表
工艺工具监控
面粗糙度通常通过使用检测工具检测 haze，即晶片表面
在预防性维护（工具评定）或是运行生产晶片之前、工
散射光的低频、低幅部分，来测量。Haze 的测量单位是
作一定时间之后或者每个班次（工具监控）开始时，一
ppm，即平均表面散射强度与入射激光束强度之比。对
般采用无图形试验（或“监控”）晶片上的微粒数目来
于裸晶片，haze 与表面粗糙度高度相关。（当有透明薄
监控工艺工具的运行状况。工艺工具评定发生在预防性
膜存在时，haze 还包括薄膜参数变化。）
维护之后，或者在非计划停工之后重新评定工具。工具 监控可用于快速检测工艺工具的偏移。此外，无图形晶 片检测工具可用于工程分析工作中，来确定新工艺工具 的特性，或者诊断可能导致工艺工具退出生产（“工具 停工”问题）的污染问题。
第二步是实际的工艺工具监控步骤：对加工前后的检测 值进行比较，对增加的缺陷加以量化。为了重新利用试 验晶片，晶片被以化学剥离的方式除去通过工艺工具时 增加的薄膜层和微粒。化学剥离会造成较高的表面粗糙 度或 haze（图 1 中的上部回路），因此试验晶片必须重
执行工艺工具监控时，每个工艺腔体使用同一个无图形试
新分级。试验晶片在经过一定次数的循环步骤之后，如
验晶片。对于关键尺寸较小、需要较高检测灵敏度的前段
果无法达到最粗级规格，就应送去再生（重新抛光）或
工艺，应当使用较高等级的晶片。试验晶片经过检测，然
报废（图 1 中的左下部回路）。
后通过工艺工具（激活或者不激活工艺腔体）重新进行
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缺陷管理 延长监控晶片的使用寿命 In-house chemical clean
缺陷检测灵敏度是由缺陷信
Regeneration area SP1 Inspection
Test wafers
Pre SP1 Inspection
Grade A, B, C
PWP < X
Post SP1 Inspection
Process
近检测阈值，信 噪 比 将 下
A < X1 counts <Y1 ppm
降，如图 2 所示（左）。
C < X3 counts <Y3 ppm
Re-polish $30 / wfr
New wafers
为了保证能够检测到缺陷 Reclaim 1
Reclaim 2
Reclaim 3
A
B
C
Grade
而又不发生假报警，最好 保持较高的缺陷信噪比，一 般应当在 3 以上。
Roughness
但是，由于多次化学剥离 （循环）会增大试验晶片的
图 1：使用试验晶片的工艺监控回路。
表面粗糙度和 haze，因此晶 片表面上小缺陷的检测信
Threshold Laser scattering signal (ppm)
Threshold Laser scattering signal (ppm)
的。当背景水平（haze）接
Grading B < X2 counts <Y2 ppm
Scrap $300/wfr
号与其背景值的比率决定
Noise Haze
噪比将会降低。制造时的 注意事项例如使一个检测 工具的结果与其他工具相 匹配，决定了检测灵敏度 阈值要保持在一个固定的 值。这意味着不能简单地通
Haze
过提高检测阈值来减轻背 Scan position
景噪声的增多，如图 2 所示
Scan position
（右）。因此，可在任何
图 2：具有较低雾度值（左）和较高雾度值（右）的晶片的表面粗糙度（雾度）与检测灵敏度之间的关系。 注：噪音与雾度成比例。
给定试验晶片上进行的循 环步骤数就受表面粗糙度 的增大所限制。
Surfscan SP2
Surfscan SP1
现在需要的是一种能够提 高粗糙晶片上小缺陷的检 测信噪比的方法。在目前 一代的晶片表面检测系统 Surfscan SP2 中，其光斑的尺寸 图 3：粗糙晶片灵敏度比较。左侧的 Surfscan SP1 图主要显示了假缺陷，而右侧的 SP2 图则主要显示了真缺 陷，最小缺陷的信噪比大于 3。
SP1 HT Mode S/N vs. Wafer Haze Level 18
12
18
Low Haze Medium Haze High Haze
acceptable inspection window
15
9 6 3
12
使得 Surfscan SP2 对粗糙晶
Low Haze Medium Haze High Haze
acceptable inspection window
片的灵敏度高于 SP1。图 3 显示了采用 Surfscan SP1（左）
9
和 SP2（右）系统扫描同一个
6 3
0
循环了多次的高 haze 晶片的
0 0.06
0.07
0.08
0.09
0.10
0.11
0.12
0.13
0.14
0.15
0.06
0.07
0.08
Defect Size (µm LSE)
0.09
0.10
0.11
0.12
0.13
0.14
0.15
Defect Size (µm LSE)
图 4：不同尺寸缺陷的信噪比与晶片雾度水平比较（Surfscan SP1 左，SP2 右）。可接受的检测窗口的信噪比 大于 3，缺陷尺寸小于 88 纳米 LSE。
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味着当光束聚焦于小缺陷时 包含了较少的背景。这就
SP2 HT Mode S/N vs. Wafer Haze Level
S/N Ratio
S/N Ratio
15
比上一代的 SP1 小，这就意
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比较结果。SP1 图显示由于 信噪比低而引起了大量的 假缺陷。设定用于获取真 12
缺陷管理 被归入 A 级。因此，晶片可 Recycle rate
from 70% to 85%
以循环更多的次数 — 据估
In-house chemical clean $5 / water recycle
计 ， 内 部化学清洗中心的
Regeneration area SP2 Inspection
Test wafers
循环率提高了 15%。这种 Grade A, B, C
PWP < X
Pre SP2 Inspection
Post SP2 Inspection
Process
较高的循环率相当于再 生（重新抛光）率的下降 （图 5）。
$75K/month
我们可以利用这些新的循
SP2 Reclaim 2
Reclaim 1 Scrap $300/wfr
New wafers
Reclaim 3
20%
10%
5%
环率来估算一下成本节约 的情况：对于一个生产能
Re-polish $30 / wfr
A
Grade
B
力为 25K WSPM 的 300 毫 米代工厂，试验晶片的用
Roughness
量等于生产速度的三倍， 即 75K WSPM。Surfscan SP2 图 5：晶片循环率的净增长。
的实施将内部循环率提高
缺陷的检测阈值也会获取 haze 信号的峰值。另一方面，
了15%，即再生率降低了
SP2 图的假缺陷数量明显较少，因为其良好的灵敏度使得
15%，相当于每年节约三百万美元（表 1）。该模型可以
扫描阈值能够恰好设定在 haze 水平之上。Surfscan SP2 能
进行调节，以适应不同的初始晶片、试验晶片用量等。
够增强信号、抑制噪声，这就使得此类检测能够使试验 晶片循环更长的时间之后才被再生或报废。
总结
晶片代工厂的生产率得益于可变成本的下降。试验晶片 图 4 显示了 SP1 和 SP2 在不同 haze 水平的晶片上的信噪
的寿命直接影响着工艺工具监控的可用性。使用 Surfscan
比分析。可接受的“检测窗口”位于表的左上部（信噪
SP2 检测系统来代替上一代工具后，可以进一步再利用一
比 ≥ 3 时，灵敏度高于 88 纳米）。在高 haze 晶片上，SP1
些监控晶片，这样也可以减少购买新的试验晶片。除了
高生产能力模式不能在要求的 88 纳米缺陷灵敏度下满足
试验晶片成本节约这种可量化的经济影响之外，代工厂
3:1 的信噪比要求。SP2 可提高灵敏度和抑制背景噪声，
生产率也得到了提高，同时由于粗糙再生晶片的检测结
即使在使用高 haze 晶片、在高生产能力模式下也能够达
果不稳定会引起假异常报警，这种报警所造成的破坏也
到要求的灵敏度。
降到了最低。
经济影响
致谢
图 4 显示 Surfscan SP2 可以在较为粗糙的晶片上达到足够的
本材料最初发表于上海（2006 年 8 月）和北京（2006 年
灵敏度和信噪比。因此，在进行这些测量的代工厂内部
9 月）举办的 KLA-Tencor 成品率管理研讨会上。
再生中心设置了一台专用的 SP2 检测工具。采用 Surfscan SP1 检测时可能被归入 B 级的晶片，现在采用 SP2 检测可以 晶片类型
循环
再生
报废
总试验
晶片成本
$5
$30
$300
晶片成本
晶片量 (总数 = 75K)
52.5 > 63.75K
15.0 > 3.75K
7.5K
循环率 (SP1)
70%
20%
10%
$2.96M
循环率 (SP1+SP2)
85%
5%
10%
$2.68M
每月成本节约
$56,250
$337,500
无变化
$0.28M
参考材料 1. Lorrie Houston，Motorola； John Anderson，Motorola；Rhonda Stanley，KLA-Tencor； “Process tool qualification using SP1TBI automated overlay feature,” KLA-Tencor Surfscan 应用说明 (2002)。
表 1：每月因晶片循环率提高而实现的成本节约估算：$0.28M，按每年节约 $3.36M 计算。 2007 年夏 Yield Management Solutions
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