О сокращении изменчивости параметров процесса

О сокращении изменчивости параметров процесса

Выпуск 19(6693) от 26 сентября 2019 г.
РУБРИКА: МИКРОЭЛЕКТРОНИКА

Снижение изменчивости параметров процесса может обеспечить преимущества масштабирования всего технологического уровня, но для этого требуются усилия по всей цепочке поставок полупроводникового производства. По мере того как технологическое оборудование становится более точным, совершенствуются датчики и аналитика, осваиваются новые технологии на различных этапах производственного цикла, облегчается и борьба с изменчивостью параметров процесса. Результат – ​повышение уровня прогнозируемости и выхода годных, а также снятие некоторых проектных ограничений.

При рассмотрении производственных процессов можно отметить, что между себестоимостью и продажной ценой полупровод-никовых приборов существует достаточная маржа, обеспечивающая рентабельность производства. По мере масштабирования эта маржа сокращается, что создает экономические проблемы при освоении новых технологических процессов с меньшими топологиями.

Маржа проявляется на разных этапах производства и гарантирует технологичность и достаточный выход годных. Понятие маржи охватывает различные производственные аспекты – ​от изменений при формировании структур на пластине до использования шаблонов и наличия загрязнений в используемых материалах. Как правило, все это описывается в нормах проектирования, используемых изготовителями ИС. По мере того как технологическое оборудование становится более точным благодаря лучшим датчикам и аналитике, а также по мере внедрения инноваций в широкий спектр технологических этапов – ​включая операции контроля, метрологии, нанесения покрытий, травления и литографии, – ​ужесточаются предъявляемые к производственному процессу требования. Изменчивость процесса контролируется гораздо более жестко, чем в прошлом. Благодаря этому растет предсказуемость, рентабельность, снимается ряд ограничений на различные аспекты технологического процесса и формируемых конструкций.

При переходе на каждый уровень масштабирования в соответствии с т. н. «законом Мура», особенно после выхода за рубеж 16/14 нм, для улучшения мощности и производительности полупроводниковых приборов, соотношения их площади и стоимости требуются новые подходы. Экономика «закона Мура» уже не так убедительна, как раньше, когда кратность уменьшения топологических норм составляла 0,7, при этом стоимость разработки растет. Многие отраслевые специалисты считают, что действие «закона Мура» замедляется, некоторые говорят о прекращении его действия. Чтобы перейти к следующему технологическому уровню с меньшими топологическими нормами, разработчикам приходится улучшать маржу процесса.

Увеличение плотности размещения элементов происходит при переходе на каждый новый технологический уровень, но зависимость здесь не обязательно линейная. За последние пару лет область проектирования продемонстрировала значительное улучшение по ряду характеристик, в основном за счет совершенствования архитектур. Сейчас в сложных схемах вместо одного процессора может использоваться несколько процессорных ядер, что имеет важное значение для увеличения производительности схем ИИ и машинного обучения. Активизируется применение высокоскоростных интерфейсов и корпусов с расширенными возможностями.

Как же будут внедряться новые подходы – ​революционно или эволюционно? Многие специалисты полагают, что эволюционно. Большое значение будут иметь новые структуры, такие как круговые затворы (Gate-All-Around). Между тем появляется возможность добиться радикального сокращения изменчивости процессов – ​однако для этого необходима совместная работа специалистов различного профиля. Речь идет о согласованности этапов технологического процесса, что позволяет пошагово исключать вариации.

На последней конференции Semicon West отмечалось, что многие возможные меры по сокращению изменчивости технологических процессов, рассматриваемые по отдельности, выглядят незначительными, но вместе взятые они могут привести к серьезным изменениям. Это не удивительно, так как охватываются многие этапы технологических процессов: литография, травление, осаждение, очистка, химико-механическая полировка, легирование и т. д. Важно, чтобы контроль процессов становился частью решений на как можно более раннем этапе.


На чем можно сэкономить?

Выигрыш от коллективных действий по ужесточению требований к процессам может быть существенным, особенно сейчас, когда затраты на разработку кристаллов ИС постоянно растут. Так, по оценкам Gartner, затраты на разработку технологии 5-нм ИС оцениваются, в зависимости от сложности конструкции, от 210 млн до 680 млн долл. Кроме того, разработка новых процессов обходится примерно в 1 млрд долл., а стоимость оснащения современного завода по обработке пластин составляет более 10 млрд долл.

В некоторых из современных технологических процессов преимущества в соотношении рабочих характеристик, габаритов и потребляемой мощности в значительной степени основаны на улучшениях в управлении процессом, а не на сокращении размеров элементов ИС.

Чем больше уменьшается вариация процесса, тем дальше можно продвигать существующие правила проектирования без необходимости агрессивного масштабирования затворов и полушага элементов металлизации. Уже существуют подобные примеры – ​так, крупнейший кремниевый завод – ​TSMC – ​масштабировал свой процесс до 7 нм. «Плавниковые» (FinFET5) транзисторы и шаг металлизации агрессивно не масштабировались – ​шаг затвора сократился с 66 до 57 нм, а металлизации – ​с 44 до 40 нм. Таким образом, «плавниковые» транзисторы TSMC стали более узкими, а длина затворов – ​намного короче, при этом производительность значительно улучшилась. За счет снижения вариабельности было уменьшено количество ребер, требуемых в ячейке СОЗУ.

Вариабельность процесса в основном говорит о нарушениях правил проектирования. Например, может возникнуть ошибка установки угла кристалла в заданное положение. Если подобные изменения велики, то правила проектирования должны это учитывать. Если удается уменьшить ошибки и неточности, можно перейти на более жесткие правила проектирования и получить дополнительные улучшения при масштабировании.

Хороший пример использования маржи процесса для продвижения возможностей – ​3D-флэш-память NAND-типа. Эта технология столкнулась с трудностями при масштабировании. Во-первых, возникла проблема контроля размеров. Во-вторых, ячейки плохо работали, потому что располагались слишком близко друг к другу. При переходе от 2D- к 3D-архитектуре проблема была решена. Но добавление слоев – ​это не физическое масштабирование, а масштабирование окна процесса. Разработчикам пришлось выяснять, как усовершенствовать технологические этапы, и в ряде случаев переходить на новые процессы – ​например, от ХОПФ-процесса к атомно-слоевому осаждению (ALD).

Подобным же образом и при масштабировании ДОЗУ были достигнуты топологии сначала 28 нм, а потом – ​14, 7 и 5 нм. Такие инкрементные сокращения связаны со сжатием окна процесса литографии – ​еще один отличный пример того, как в течение четырех или пяти поколений преимущество порождается не действием «закона Мура», а улучшением качества управления процессом.


Использование больших объемов данных и повышение их качества

Одно из существенных изменений с точки зрения оборудования – ​повсеместное использование все большего количества датчиков, которые обеспечивают представление о том, что происходит в любой момент времени в производственном процессе. Кроме того, современные датчики отличаются намного большим, чем ранее, быстродействием и значительно меньшими размерами.

Датчики и камеры могут быть самыми разнообразными. В частности, они могут искать непредвиденные искажения в свете, отраженном от поверхности пластины. Если поставить сверху проектор, а сбоку камеру, то можно посмотреть на кремниевую поверхность. Две камеры с двумя каналами дают возможность получить полную зеркальную геометрию.

По мере роста сложности ИС и уникальности структур процедура проверки становится все труднее. Более того, требуется время, чтобы разработать новые производственные технологии и процессы со всеми новыми структурами и оборудованием для следующего технологического уровня. И несмотря на это, растет необходимость анализа данных от всех датчиков как для существующих, так и перспективных топологических элементов.

Решение проблемы состоит в подключении все большего количества источников информации. Если находятся похожие структуры, а определенная проблема появляется снова и снова, можно уменьшить объем данных, требующих сортировки, однако надежность источника данных остается ключевым элементом. В противном случае каждый источник данных может превратиться в генератор ошибок.

Сейчас полупроводниковая промышленность, да и многие другие обрабатывающие отрасли осуществляют переход к интеллектуальному производству – ​в производственный процесс встраиваются глубокое обучение, нейронные сети и ИИ. В основном интеллектуальное производство имеет целью управление доходностью и повышение уровня рентабельности. Одновременно с этим реализуются мероприятия по повышению надежности. Это очень важный момент, так как при освоении новых технологий высок риск столкновения с латентными дефектами. В таких случаях необходимо выявить образование дефекта на как можно более ранних этапах, что, в свою очередь, связано с опытом в конкретной области производства. Существенно возрастает роль подготовки данных, их фильтрации и обработки.

Все это может привести к значительным изменениям в сфере производства полупроводниковых приборов. Перемены могут затронуть даже регламент эксплуатации оборудования на заводах по обработке пластин. Клиенты явно будут уделять больше внимания тому, что представляют собой предлагаемые производителем данные, какова его стратегия в области получения, формирования и использования данных и как она согласуется со стратегией клиента.


Материалы

Технологические усовершенствования не ограничиваются только оборудованием. Эта область также включает материалы, используемые при производстве ИС. Сейчас предпринимаются широкомасштабные меры по модификации некоторых материалов, используемых в процессах производства полупроводниковых приборов, в частности по повышению их чистоты.

Возникают и новые проблемы. В прошлом часть материалов, используемых в производстве полупроводниковых приборов, полностью расходовалась при обработке пластин. Сейчас ситуация начинает меняться. Например, в результате оптимизации химии процесса вместо трудоемкого глубокого травления используются полимерные материалы со специфическими физическими свойствами. Все это прямо влияет на масштабируемость, поскольку многие преимущества перспективных топологических уровней связаны с управлением процессом, а не с уменьшением размеров топологических элементов.

Это особенно верно для автомобильного рынка, где разрабатываются 7-нм конструкции для систем управления на основе ИИ. Ключевой вопрос здесь – ​надежность. Немецкие автопроизводители и поставщики первого уровня требуют бездефектных ИС, которые могут соответствовать своим специ-фикациям в течение 18 лет. Таким образом, стандарты чистоты были повышены с пяти частей на миллиард до пяти частей на триллион. Этот показатель выглядит бессмысленным, поскольку сегодня нет способа его измерить, тем не менее акцент на надежность очевиден. Аналогичные требования распространяются и на другие рынки. Например, не так давно ожидалось, что ИС для смартфонов будут работать только в течение двух лет. Сегодня этот показатель увеличился до четырех лет.

Начинающие компании зачастую недостаточно хорошо представляют себе, как чистота материала влияет на надежность прибора. Например, при операциях химико-механической полировки необходимо постоянно удалять мелкие частицы суспензии. Поставщики услуг химико-механической полировки неустанно совершенствуют используемые материалы, улучшают их инновационный цикл. Обширные базы данных позволяют отбирать материалы, обеспечивающие наилучшие электрические характеристики полупроводниковых приборов.


Интеллектуальная собственность и деловые соображения

Интеллектуальная собственность, реализуемая в виде сложнофункциональных блоков, позволяет облегчить и упростить переход к следующему технологическому уровню с меньшими топологиями. Однако каждый разработчик новых ИС придерживается собственной стратегии. Кто-то проходит всю цепочку новых разработок, последовательно двигаясь к уровням с меньшими топологиями. Другие фирмы, наоборот, могут пропустить 11-, 12- или 7-нм топологии и перейти сразу на 5-нм нормы. В частности, это связано с тем, что на уровне 5-нм технологий предполагается использовать литографию с источником на предельном ультрафиолете – ​EUV-литографию с методикой многократного формирования рисунка.


Заключение

Возможность уменьшить вариативность процесса и быстрее использовать большие объемы данных позволит либо улучшить ценностное предложение для перехода на следующий технологический уровень с меньшими топологиями, либо глубже развить использование существующих технологий. Большая часть этого процесса будет реализовываться кремниевыми заводами и их крупнейшими клиентами, а также поставщиками СФ-блоков. Последним придется выбирать между более выгодными для себя топологиями – ​в силу невозможности разрабатывать СФ-блоки сразу для всего.

Осознание того, что в производственных процессах существует достаточная маржа, – ​это только первый шаг. Есть много других возможностей по всей цепочке поставок, от материалов до датчиков и нового оборудования, позволяющих делать ИС более быстродействующими и надежными, снижать их потребляемую мощность.


 Sperling Ed. Node within a Node. Semiconductor Engineering, July 24, 2019: https://semiengineering.com/node-within-a-node


ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ

Выпуск 24/25 (6748/6749) от 23 декабря 2021 г. г.
Выпуск 24/25 (6748/6749) от 23 декабря 2021 г. г.