科磊:兩年時間多種手段,才做好3D NAND良率提升
最先享受到這一輪半導(dǎo)體產(chǎn)能大擴充紅利的是設(shè)備廠商。據(jù)美國科磊公司(KLA-Tencor)資深客戶合作副總兼首席營銷官Oreste Donzella介紹,2017年全球半導(dǎo)體設(shè)備業(yè)營收創(chuàng)歷史記錄,首次超過400億美元,同比增長27%,超過半導(dǎo)體行業(yè)的整體增長速度(約21%)。據(jù)市場調(diào)研機構(gòu)IC Insights估計,2018年與2019年規(guī)劃產(chǎn)能合計將為歷史最高水平,超過2006年與2007年那一波投資?!拔覀兣袛喟雽?dǎo)體產(chǎn)業(yè)會成長,但沒有想到成長速度這么快,我預(yù)計市場還會維持增長勢頭,現(xiàn)在看半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展前景,還是非常光明的?!?

這一輪投資即始于中國2014年開始的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進計劃,伴隨政策支持與市場資金到位,中國大陸晶圓廠產(chǎn)能規(guī)劃大幅增加,“我們可以看到,半導(dǎo)體項目在中國正遍地開花,從東北到深圳,從上海到重慶、成都,各地都在上新項目。”
中國廠商產(chǎn)能擴充也引發(fā)競爭對手重視,全球主要廠商紛紛加碼,其中三星在2017年半導(dǎo)體資本支出達到聳人聽聞的260億美元,主要用于擴充存儲器及晶圓代工廠產(chǎn)能。
這樣的投資熱潮無疑給設(shè)備廠商又帶來一段黃金時期,中國市場表現(xiàn)尤其出色?!霸谥袊袌?,科磊2017年訂單數(shù)是2016年的3倍,從現(xiàn)在得到的數(shù)據(jù)來展望2018年,也將有非常強勁的市場表現(xiàn)?!監(jiān)reste Donzella表示,2017年對科磊來說是一個超級大年,2018年雖然難以維持類似增速,但仍將維持強勢表現(xiàn),尤其是大陸市場,“中國大陸的半導(dǎo)體行業(yè),總是有一些驚喜?!?
制程管控面臨的新挑戰(zhàn)
對科磊所在的制程管控設(shè)備行業(yè)而言,2017年毫無疑問是大豐收的一年,全行業(yè)銷售額首次突破50億美元。
降低成本是工藝尺寸不斷縮小的最大動力之一,而良率則是每一種新工藝從試產(chǎn)到量產(chǎn)后最嚴峻的考驗,科磊生產(chǎn)的設(shè)備,主要就是幫助客戶進行制程控制,用最短的時間將新投產(chǎn)的工藝良率提高到可以大規(guī)?;a(chǎn)的要求。

當前半導(dǎo)體在工藝制程上遇到的麻煩,主要是由工藝尺寸縮小與新的光刻技術(shù)引入(EUV)所帶來,不過也有一些特殊應(yīng)用會制程管控帶來新挑戰(zhàn),比如3D存儲器,工藝尺寸沒有縮小,但由于堆疊增加,所以給提升良率帶來很大困擾。 “為什么制程控制現(xiàn)在這么難?”O(jiān)reste Donzella解釋,“最新的制程有一千個生產(chǎn)步驟,超過十億個晶體管,超過一英里長的導(dǎo)線,通通放在一個郵票大小的晶片(die)上,整個生產(chǎn)環(huán)節(jié)都要完美控制,中間出現(xiàn)任何問題,都可能會造成器件不工作?!?
制程管控三階段
Oreste Donzella指出,要實現(xiàn)制程管控,需要在半導(dǎo)體制造流程的不同環(huán)節(jié)插入檢測與量測步驟,全流程監(jiān)控半導(dǎo)體制造過程?!霸谝磺€的半導(dǎo)體制程步驟中,必須要加入不同的檢測和量測步驟,才可以確保在器件制造期間,不會因致命性問題導(dǎo)致良率極低,甚至為零。”
在半導(dǎo)體產(chǎn)品生命周期的不同階段,制程管控實施的策略也有較大的差異?!巴ǔN覀儗⒅瞥坦芸胤譃槿齻€階段:研發(fā)階段、試量產(chǎn)階段以及大規(guī)模量產(chǎn)階段。每個階段制程控制策略不同,檢測與量測的需求也不同。舉個例子,在研發(fā)階段,一千個生產(chǎn)步驟中,至少三五百步都需要做檢測與量測,到了大量生產(chǎn)的時候,如果出現(xiàn)良率問題,通常很快就能知道問題出在哪里,因為大部分問題都在研發(fā)和試量產(chǎn)階段解決掉了。所以到大量生產(chǎn)的時候,就需要調(diào)整制程控制的策略,以高良率和高產(chǎn)出率為目標?!?
具體來說,在研發(fā)階段,盡可能將新技術(shù)、新材料引入的缺陷解決掉,以防止風(fēng)險累積;在試量產(chǎn)階段,以發(fā)現(xiàn)并解決良率問題為根本原則,要爭取將所有良率問題在大規(guī)模量產(chǎn)之前解決掉;在大規(guī)模量產(chǎn)階段,制程控制的重點變成保持穩(wěn)定的高良率,其次是改善生產(chǎn)可預(yù)測性。

3D NAND是一個新怪獸
“最新300毫米(12英寸)的晶圓廠(Fab),可能要花一百億美元,按照正常折舊速度,一天就要分攤四百萬美元,折舊的壓力非常大?!監(jiān)reste Donzella表示,良率是先進工藝落地首先要解決的問題,“良率每提升一個百分點,就相當于增加千萬美元的營收。”

KLA-Tencor資深客戶合作副總兼首席營銷官Oreste Donzella
但當閃存從二維工藝轉(zhuǎn)換到三維工藝時,很多廠商遇到的問題。Oreste Donzella對TechSugar表示,3D NAND閃存在一開始確實遇到了嚴重的良率問題,對半導(dǎo)體廠商而言,3D NAND就是一個新怪獸(new animal),整個產(chǎn)業(yè)鏈上下游需要通力合作,“我們和客戶一起學(xué)習(xí),花了兩年的時間,才把良率拉了起來。”
科磊主要是通過三個手段來提升良率。首先,檢測與量測堆疊層的參數(shù),獲取晶圓的形狀參數(shù)(pattern wafer geography),“在生產(chǎn)控制上,科磊有專用的PWG2來做監(jiān)測;其次,通過光學(xué)關(guān)鍵尺寸(Critical Dimension)量測平臺,確保每一層堆疊平平整整;第三,在空白晶圓(bare wafer)檢測時,通過SP3、SP5等新設(shè)備,確保每一層都不會引入缺陷。
“3D NAND良率現(xiàn)在已經(jīng)不錯,但并不是說我們就可以高枕無憂,”O(jiān)reste Donzella說道,“因為每一家廠商都在準備增加堆疊層數(shù),例如從64層發(fā)展到96層。”