工艺步骤数：4G DRAM，500 步工艺
工艺步骤增加
每步 99% Ytotal < 1%
成品率下降
每步99.99% Ytotal 95%
硅片直径：14.5% 不完整芯片（Φ 200mm）
10.8% 不完整芯片（Φ 300mm） ✔
？ 芯片尺寸： 芯片尺寸 成品率
例：2 英寸硅片，缺陷密度 D＝1/cm2
随机问题：保护膜上的针孔、颗粒在硅片上的粘附、金属线的腐蚀等。
工艺成熟性
起步阶段 上升阶段 成熟阶段
Yrandom 20％ 80％ 90％
Ysystematic 80％ 90％ 95％
Ytotal 16％ 72％ 86％
利润最大化
!!!
5
器件总成品率 = 工艺各步骤成品率的乘积（Ytotal = ∏Yi）
0
less random/independent (ex. Clustering)
Negative Binomial (C = 2)
ITRS needs
Negative Binomial (C = 10)
D = 1 cm -2 O
Poisson
•Defects are random
and independent
Particle Density Probability of Particle Causing Yield Loss
1
dp 最小工艺特征尺寸 0.8
0.6 直径 > dp的颗粒数目
N(dp)=k(dp)3
0.4
0.2 极小颗粒的影响也不为0
?00.1.1-~00.3.3祄m
Particle Diameter
4
影响成品率的因素：
工艺成熟性、工艺步骤数、硅片直径、芯片尺寸以及晶体缺陷等
器件总成品率 = 系统分量和随机分量的乘积（Ytotal = Ysystematic ×Yrandom） = 工艺各步骤成品率的乘积（Ytotal = ∏Yi）
系统问题: 工艺错误、设备故障、工艺能力局限、起始材料不纯和设 计错误等。
Particles of feature size cause defects
11
2. 金属离子
极少量电性污染物也会 改变器件的典型特征 & 在器件中移动造成失效
可移动离子污染物（MIC）：材料中以离子 形态存在的金属离子，在半导体材料中有很 强的可移动性。
金属离子的来源：化学溶液、各制造工序、
化学品与传输管道和容器的反应
污染物：制造过程中引入硅片的任何危害芯片 成品率及电学性能的不希望存在的物质。
微粒 金属离子
Life time killers
污染物
化学物质 细菌 静电
等待清洗的硅晶圆片
9
1. 微粒
所有可以落在硅片表面的微小颗粒 微粒污染是成品率损失的较大贡献者：引起图形缺陷、器件失效等问题
烟尘
指纹印
尘埃
1 m 2 m 30 m
聚集因子
致命缺陷（killer defect ） 位于器件关键部位并使器 件产生致命性失效的缺陷
金属线
线宽减半，潜在
缺陷
危害的缺陷数目
膜层
增加 4 ~ 8 倍 !!!
晶片
7
Chip Yield
缺陷密度
如芯片面积已知，可计算出不同 成品率所要求芯片的缺陷密度。
例：芯片面积 10cm2，成品率要
求 99％ 时，采用泊松模型计算
离子注入 干法刻蚀 去胶 水汽氧化
9
Fe Ni Cu
10
11
12
13
Log (concentration/cm2)
Na 最常见、移动性最强 － 首要 控制目标（ 1010 atoms/cm2）
Fe, Cu, Ni, Cr, W, Ti… Na, K, Li…
2
4.1 概述
不对污染进行有效控制，微电子制造就是句空话 随着器件尺寸缩小，污染控制的重要性不断增加
1 2
百个
保
证
局部光散射
≫
原子 间距
≫
90
栅氧化层完整性
%
成
品
率
所
必
需
ITRS Roadmap
3
硅片上好的芯片数
成品率（Yield ）=
100%
硅片上总的芯片数
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 5 亿美元 成品率 70 ％ 71 ％ 意味着： 多出 1.4 ％的芯片，或是： 增加 700 万美元的收益 成品率每百分之一的提升都有巨大价值！
•Predicts too low yields
Yields depend on defects (D) density and chip size (A)
成品率模型
泊松模型 墨菲模型
Y
1 e AD
Y
1 e AD
ห้องสมุดไป่ตู้
AD
2
Seed 模型
Y
1 e
AD
负二项模型
2
4
6
8
10
12
Chip Area (cm 2 )
微电子工艺学
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章 第九章 第十章 第十一章
绪论 现代 CMOS 工艺技术 晶体生长与衬底制备 加工环境与基片清洗 光刻 热氧化 扩散掺杂 离子注入掺杂 薄膜淀积 刻蚀 后段工艺与集成
1
第四章 加工环境与基片清洗
4.1 概述 4.2 环境净化 4.3 硅片清洗 4.4 吸杂 4.5 测量方法
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..
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加工10mm10mm 芯片，可加工数 12，其 中 4 个无缺陷，成品率 33 ％；
加工 5mm5mm 芯片，可加工数 57，其中
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41 个无缺陷，成品率 72 ％；
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6
Chip Yeld
1 0.1 0.01 0.001 0.0001
沉积途径 布朗运动 重力沉降
人类毛发
100 m
附着机理 静电力 范德华力 化学键 ……
最关心颗粒尺寸：10nm ~ 10µm 可在空气中长时间悬浮
较大颗粒易沉降 较小颗粒易凝聚为大颗粒 10
0.03 m 的微粒将会损害0.3m 线宽的特征图形
VLSI Fabs：75% 的成品率损失来源于颗粒污染； 0.1 ~ 0.3 µm 的颗粒危害最大； 甚至更小颗粒也会导致失效（eg. ，栅氧化层针孔）。
C=2
的缺陷密度为：
ln
D
1 Y
ln
1 0.99
0.001 个 / cm2
A
10
意味着：三个 12 in（300mm） 硅片上致命缺陷只允许有 2 个！ 这是非常高的要求。
8
缺陷从哪里来？
缺陷：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、制造环境中的污染物都是缺陷的来源。