Yield và phòng sạch

Mỗi die hỏng trên wafer bắt đầu từ một lỗi, và nhiều lỗi bắt nguồn từ hạt bụi

Trên wafer 45 die, 40 die còn tốt và 5 die hỏng; máy thử chỉ đánh dấu, không cho biết nguyên nhân, mà nhiều lỗi bắt nguồn từ hạt bụi nhỏ.

Trên wafer này có 40 trên 45 die còn tốt và 5 die hỏng. Máy thử chỉ đánh dấu die hỏng; nhiều lỗi bắt nguồn từ hạt bụi rất nhỏ.

Xem lời đọc

Trên wafer này, bốn mươi trong bốn mươi lăm die còn tốt. Năm die còn lại hỏng, thường không dùng được nữa. Mỗi die hỏng là một phần wafer và công sức bị bỏ đi. Máy thử chỉ đánh dấu die hỏng, không cho biết vì sao hỏng. Nhiều lỗi bắt nguồn từ những hạt bụi rất nhỏ. Ta sẽ đi tìm hạt bụi đó và cách nhà máy giữ nó ra ngoài.

Hình minh họa: số die vẽ ít để dễ đếm; wafer 300 mm thật chứa từ vài chục đến hàng chục nghìn die tùy cỡ chip. Con số 40 trên 45 chỉ để minh họa. Hình không theo tỉ lệ thật.

Một hạt bụi rơi trúng mạch gây một lỗi và làm hỏng cả một die

Hạt bụi rơi ngẫu nhiên; hạt rơi trúng mạch, chẳng hạn nối liền hai dây, có thể gây lỗi và làm hỏng die chứa nó.

Một hạt bụi rơi trúng mạch có thể gây một defect (lỗi); ví dụ hạt nối liền hai dây Cu (đồng) làm chập mạch. Die có lỗi thường không còn dùng được.

Xem lời đọc

Trong nhà máy, bụi có thể rơi xuống wafer bất cứ lúc nào. Hạt bụi rơi ở những chỗ ngẫu nhiên, không ai chọn trước. Hạt rơi trúng mạch của một die có thể gây một lỗi. Hạt bụi nối liền hai dây đồng cạnh nhau thì làm chập mạch. Die có lỗi thường không còn dùng được và bị đánh dấu hỏng. Vậy mỗi hạt bụi rơi trúng mạch có thể làm hỏng cả một die.

Hình minh họa: năm hạt rơi vào năm die khác nhau; nếu hai hạt rơi vào cùng một die thì vẫn chỉ hỏng một die. Không phải hạt nào cũng gây lỗi (hạt rơi chỗ không quan trọng hoặc quá nhỏ có thể không làm hỏng); hình chỉ vẽ các hạt gây lỗi.

Lỗi chập chủ yếu sinh ra ở các việc tạo hình: hạt rơi lên chất cản quang trước khi quang khắc, trong lúc khắc hoặc CMP có thể để lại dây nối liền hoặc dây đứt; hình vẽ hạt dẫn điện nằm giữa hai dây là đơn giản hóa.

Die có lỗi thường không dùng được; vài loại chip vẫn cứu được, ví dụ bộ nhớ có hàng dự phòng, hoặc chip được bán bản cắt bớt lõi. Khung phóng to là một die: hạt, dây và khe vẽ lớn hơn thật nhiều. Không theo tỉ lệ thật.

Số lỗi trung bình mỗi die bằng mật độ lỗi nhân diện tích die

Mật độ lỗi D₀ là số lỗi trung bình trên mỗi cm²; nhân với diện tích die A được số lỗi trung bình mỗi die, có thể nhỏ hơn một.

Defect density (mật độ lỗi) D₀ là số lỗi trung bình trên mỗi cm²; nhân D₀ với diện tích die A thì được số lỗi trung bình mỗi die.

Xem lời đọc

Mảnh wafer này rộng mười xen ti mét vuông và có năm lỗi. Vậy mật độ lỗi là không phẩy năm lỗi trên mỗi xen ti mét vuông. Mỗi die trên mảnh rộng một xen ti mét vuông. Số lỗi trung bình rơi vào một die bằng mật độ lỗi nhân diện tích. Với mảnh này, số đó là không phẩy năm lỗi cho mỗi die. Chữ trung bình nghĩa là tính trên rất nhiều die, nên số này có thể nhỏ hơn một.

Mảnh minh họa có 10 cm², chia 10 ô 1 cm² (mỗi ô là một die); chấm trắng là hạt gây lỗi, hạt không gây lỗi không vẽ. D₀ là số lỗi gây hỏng mỗi cm², không phải số hạt bụi.

Số trung bình tính trên rất nhiều die: 0,5 lỗi mỗi die nghĩa là cứ 10 die có cỡ 5 lỗi, nên có thể nhỏ hơn một. D₀ = 0,5 lỗi/cm² chỉ để minh họa, không phải số của hãng nào. Không theo tỉ lệ thật.

Mô hình Poisson tính tỉ lệ chip tốt bằng hàm mũ âm của số lỗi trung bình

Lỗi rơi ngẫu nhiên có thể trùng một die, nên tỉ lệ chip tốt không phải một trừ số lỗi trung bình mà là Y = e−D₀·A; đây chỉ là phần mất do lỗi ngẫu nhiên.

Nếu lỗi rơi ngẫu nhiên, Poisson model (mô hình Poisson) cho tỉ lệ chip tốt Y = e−D₀·A, tính từ số lỗi trung bình mỗi die D₀·A. Công thức này chỉ tính lỗi ngẫu nhiên.

Xem lời đọc

Lúc này năm lỗi rơi ngẫu nhiên lên mười die. Có die dính một lỗi, có die dính hai lỗi, có die không dính lỗi nào. Hai lỗi rơi cùng một die nên chỉ bốn die hỏng, sáu die còn tốt. Vì thế tỉ lệ chip tốt không phải một trừ số lỗi trung bình. Nếu lỗi rơi ngẫu nhiên, ta dùng mô hình Poisson. Mô hình này cho tỉ lệ chip tốt bằng hàm mũ âm của số lỗi trung bình. Hàm mũ âm giảm dần khi số lỗi tăng, nhưng luôn lớn hơn không. Với năm lỗi trên mười die, tỉ lệ chip tốt khoảng sáu mươi mốt phần trăm.

Mô hình giả định lỗi rơi độc lập và đều khắp wafer; xác suất một die không có lỗi nào là e−λ với λ = D₀·A. Ví dụ: e−0,5 = 0,607. Mảnh trong hình là một mẫu cụ thể (năm lỗi, hai lỗi trùng một ô, sáu ô tốt); trung bình trên nhiều mảnh, công thức cho 0,61. Nếu tỉ lệ là một trừ số lỗi trung bình thì được 0,5, không đúng vì lỗi có thể trùng.

Y = e−D₀·A chỉ tính lỗi ngẫu nhiên; yield thật còn mất vì lỗi hệ thống (do quy trình hoặc thiết kế) và lỗi tham số (chip chạy nhưng không đạt thông số).

Mô hình Poisson thường hơi bi quan với die lớn vì lỗi thật hay tụ thành cụm; người ta còn dùng mô hình Murphy và mô hình nhị thức âm Y = (1 + A·D₀/α)−α, với α là hệ số tụ cụm (α rất lớn thì trở về Poisson). Không theo tỉ lệ thật.

Cùng mật độ lỗi, die càng lớn thì tỉ lệ chip tốt càng nhỏ

Giữ mật độ lỗi 0,1 lỗi/cm²; die 1 cm² còn khoảng 90 %, die 6 cm² chỉ còn khoảng 55 %; chia die lớn thành chiplet thì mỗi chiplet có tỉ lệ như die nhỏ.

Giữ D₀ không đổi, die có diện tích gấp sáu lần thì số lỗi trung bình mỗi die cũng gấp sáu lần, nên tỉ lệ chip tốt nhỏ hơn. Chia die lớn thành chiplet nhỏ thì mỗi chiplet có tỉ lệ chip tốt như một die nhỏ.

Xem lời đọc

Bây giờ ta chọn mật độ lỗi nhỏ hơn, không phẩy một, và giữ nguyên nó. Một die nhỏ rộng một xen ti mét vuông có tỉ lệ chip tốt khoảng chín mươi phần trăm. Một die lớn rộng sáu xen ti mét vuông chỉ còn khoảng năm mươi lăm phần trăm. Diện tích gấp sáu lần, nên số lỗi trung bình trong mỗi die cũng gấp sáu lần. Đường cong cho thấy diện tích càng lớn thì tỉ lệ chip tốt càng nhỏ. Die lớn dễ hỏng, nên chia thành chiplet nhỏ để chỉ bỏ phần hỏng.

Y = e−0,1·A: A = 1 cm² cho 0,905; A = 6 cm² cho 0,549. Hình vẽ đúng tỉ lệ trục: 43,75 px mỗi cm² trên trục ngang; vuông 1 cm² là 20 × 20 px, hình chữ nhật 6 cm² (3 × 2 cm) là 60 × 40 px. Trục chạy đến 8 cm², gần giới hạn 858 mm² của một lần chiếu.

Số die trên một wafer cũng giảm khi die lớn; chi phí mỗi die tốt tỉ lệ với A/Y (bỏ qua die ở rìa): từ 1 cm² lên 6 cm² là cỡ mười lần dù diện tích chỉ gấp sáu.

Chiplet được thử riêng trước khi ghép nên chỉ chiplet tốt được dùng; ghép thêm chi phí đóng gói. D₀ = 0,1 lỗi/cm² là số minh họa, chọn nhỏ hơn mảnh minh họa trước để die lớn vẫn còn một phần tốt.

Hạt bụi cỡ ngang khe giữa hai dây đủ làm chập mạch

Cùng một hạt bụi lọt giữa hai dây khi khe rộng và chạm cả hai dây khi khe hẹp; ở mạch hiện đại khe chỉ cỡ vài chục nanô mét nên hạt rất nhỏ cũng gây hỏng.

Hạt bụi gây chập khi cỡ của nó ngang hoặc lớn hơn khe giữa hai dây Cu (đồng). Mạch càng nhỏ thì khe càng hẹp, nên hạt càng nhỏ cũng gây hỏng.

Xem lời đọc

Không phải hạt bụi nào cũng làm hỏng mạch. Ta có hai dây đồng chạy song song, cách nhau một khe. Khe này rộng, nên hạt bụi rơi vào chỉ nằm giữa, không chạm dây nào. Bây giờ khe hẹp lại, còn hạt bụi vẫn giữ nguyên cỡ. Hạt chạm cả hai dây cùng lúc và làm chập mạch. Mạch càng nhỏ thì khe càng hẹp, nên hạt càng nhỏ vẫn gây hỏng. Ở mạch hiện đại, khe chỉ cỡ vài chục nanô mét. Hạt cỡ một phần mười micrô mét đã lớn hơn khe nhiều lần.

Hình nhìn từ trên xuống, không theo tỉ lệ thật; hạt, dây và khe vẽ lớn. Hạt cỡ bề rộng dây có thể làm hở mạch (đứt dây), hạt cỡ khe làm chập. Hình vẽ hạt dẫn điện nối hai dây; hạt không dẫn điện gây hỏng khi che một chỗ lúc quang khắc hoặc khắc, để lại dây nối liền hoặc dây đứt.

Hạt 0,1 µm là 100 nm, lớn hơn khe nhiều lần ở mạch hiện đại (khe cỡ vài chục nanô mét, mức tin trung bình). Nhiều tài liệu lấy cỡ hạt đáng ngại từ khoảng một phần mười đến một nửa kích thước chi tiết nhỏ nhất, không có quy tắc chung.

Phòng sạch được phân cấp ISO theo số hạt tối đa trong mỗi mét khối không khí

Vì hạt nhỏ cũng gây hỏng, fab dùng phòng sạch; ISO 14644-1 chia không khí sạch thành các cấp, cấp càng nhỏ càng ít hạt; nhiều khu của fab thường ở ISO 4 đến 6, còn ISO 1 chỉ là cấp sạch nhất.

ISO 14644-1 là tiêu chuẩn quốc tế phân cấp độ sạch của không khí trong cleanroom (phòng sạch) theo số hạt tối đa; cấp ISO càng nhỏ thì không khí càng sạch. Nhiều khu của fab thường ở ISO 4 đến 6, còn ISO 1 là cấp sạch nhất.

Xem lời đọc

Vì hạt nhỏ cũng gây hỏng, nhà máy dùng phòng sạch, chia cấp theo tiêu chuẩn ISO. Cấp được đánh số từ một đến chín, số càng nhỏ, phòng càng sạch. Tiêu chuẩn này đếm hạt từ một phần mười micrô mét trở lên trong mỗi mét khối không khí. Cấp một cho phép nhiều nhất mười hạt như vậy. Cứ lên một cấp, số hạt cho phép tăng gấp mười lần. Nhiều khu của nhà máy chip thường ở cấp từ bốn đến sáu, tùy khu vực. Vậy cấp một là mức sạch nhất, không phải mức của cả nhà máy.

Bảng của tiêu chuẩn đếm hạt từ 0,1 µm trở lên (cũng có cột 0,2; 0,3; 0,5; 1 và 5 µm). Tiêu chuẩn có chín cấp ISO 1 đến ISO 9; từ ISO 7 trở lên không đặt giới hạn ở cỡ 0,1 µm. Từ ISO 1 đến ISO 6, giới hạn ở cỡ 0,1 µm là 10 mũ n hạt/m³ (n là số cấp): 10, 10 nghìn, 1 triệu hạt/m³ cho ISO 1, 4, 6.

Hình vẽ ISO 1, 4, 6; độ dài thanh tỉ lệ với số cấp (tức logarit của số hạt), thanh bắt đầu từ 1 hạt/m³, mỗi vạch chia ngang gấp mười lần số hạt.

Cấp dùng thật tùy khu vực: fab 300 mm hiện đại dùng môi trường nhỏ sạch riêng (mini-environment) quanh máy và wafer, nên khu chung và khu quang khắc khác cấp; nguồn khác nhau nêu cỡ ISO 3 đến 5 cho khu quang khắc và ISO 5 thường gặp. ISO 1 chỉ là cấp sạch nhất của tiêu chuẩn, không phải cấp của cả nhà máy.

Dòng khí lọc thổi từ trần xuống sàn cuốn đi hạt sinh ra từ người và máy

Người và máy là hai nguồn hạt chính; khí đã lọc thổi một chiều từ trần xuống sàn có lỗ cuốn hạt đi trước khi rơi lên wafer.

Người và máy là hai nguồn hạt chính trong phòng sạch. Khí đã lọc thổi từ trần xuống sàn có lỗ cuốn hạt đi, nên hạt rời khỏi vùng quanh wafer.

Xem lời đọc

Hai nguồn chính của hạt bụi trong phòng sạch là người và máy. Da, tóc và quần áo của người liên tục rơi ra những hạt nhỏ. Máy chuyển động, ma sát cũng sinh ra hạt. Vì vậy người vào phòng phải mặc đồ kín che từ đầu đến chân. Không khí đã lọc được thổi thẳng từ trần xuống sàn. Dòng khí cuốn hạt rơi xuống và thoát qua những lỗ trên sàn. Vậy hạt bị đưa đi trước khi kịp rơi lên wafer.

Hình rút gọn mặt cắt phòng; trong máy thật, wafer nằm trong môi trường nhỏ sạch riêng, không để lộ ra ngoài mặt máy. Khí qua bộ lọc hiệu suất cao (HEPA hoặc ULPA) rồi được hút xuống sàn có lỗ và đưa trở lại. Dòng khí một chiều kiểu này thường dùng ở cấp sạch cao như ISO 4 trở lên; phòng cấp thấp hơn thường dùng dòng khí nhiều hướng.

Người mặc áo liền quần, mũ trùm, khẩu trang, găng tay và ủng để giảm hạt từ da, tóc và quần áo. Hạt từ máy thường sinh ra do chuyển động và ma sát. Hình chỉ vẽ một người và một máy; không theo tỉ lệ thật.

FOUP giữ 25 wafer trong hộp kín khi chuyển giữa các máy

Hạt bụi còn trong phòng chạm vỏ hộp rồi dừng, hầu như không lọt vào; hộp chứa 25 wafer được chuyển cả hộp từ máy này sang máy khác.

FOUP (hộp kín chứa 25 wafer) giữ wafer sạch khi chuyển từ máy này sang máy khác. Hạt bụi trong phòng hầu như không lọt vào bên trong hộp.

Xem lời đọc

Phòng sạch vẫn còn hạt, nên wafer cần thêm một lớp bảo vệ nữa. Lớp đó là FOUP, một hộp kín chứa hai mươi lăm wafer. Mỗi wafer nằm trên một khe riêng, xếp chồng lên nhau. Hạt bụi bên ngoài hầu như không lọt được vào trong. Cả hộp được chuyển từ máy này sang máy khác, hộp vẫn đóng kín. Nhờ vậy wafer ít tiếp xúc với không khí của phòng.

FOUP là viết tắt của Front Opening Unified Pod (hộp chuẩn mở phía trước); loại thường dùng chứa 25 wafer 300 mm, có loại 13 khe cho wafer mỏng. Cửa hộp chỉ mở khi hộp gắn vào cổng nạp của máy, bên trong môi trường nhỏ sạch của máy. Hộp còn giúp giảm tiếp xúc của wafer với hơi ẩm và khí hóa học trong không khí.

Một hộp đầy nặng cỡ vài kg đến chục kg nên fab 300 mm thường chuyển hộp bằng hệ thống tự động treo trên trần (AMHS). FOUP tiêu chuẩn không phải buồng hút chân không; một số loại có thể thổi khí sạch vào.

Hình mặt cắt bên của hộp; khe và wafer vẽ mảnh, hạt vẽ lớn, không theo tỉ lệ thật.

Từ cát đến chip đóng gói, tỉ lệ chip tốt cho biết cả quy trình làm tốt đến đâu

Sáu thẻ từ cát đến chip đóng gói, thử die trên wafer trước khi cắt; hạt bụi ở công đoạn nào cũng có thể làm hỏng một die, nên cần phòng sạch, và tỉ lệ chip tốt là kết quả cuối của cả chuỗi.

Cát thành wafer, FEOL làm transistor, MOL làm tiếp xúc, BEOL làm dây Cu (đồng); rồi die được thử trên wafer, cắt và đóng gói ở back-end. Hạt bụi ở công đoạn nào cũng có thể làm hỏng một die, nên cần phòng sạch; tỉ lệ chip tốt là kết quả cuối của cả chuỗi.

Xem lời đọc

Ta đã đi từ hạt cát đến con chip đóng gói. Đầu tiên là biến cát thành wafer silicon. Rồi FEOL làm transistor, MOL nối tiếp xúc. BEOL dựng các tầng dây đồng. Sau đó máy thử từng die trên wafer và đếm những die còn tốt. Rồi back-end cắt và đóng gói những die tốt. Hạt bụi ở công đoạn nào cũng có thể làm hỏng một die, nên cần phòng sạch. Vậy tỉ lệ chip tốt cho biết cả quy trình làm tốt đến đâu.

Hình rút gọn: mỗi thẻ là một nhóm công đoạn; mỗi lớp của FEOL, MOL và BEOL còn lặp vòng phủ, quang khắc, khắc hoặc cấy, làm sạch, đo. Biểu tượng đơn giản hóa, không theo tỉ lệ thật. Chấm trắng nhỏ ở góc mỗi thẻ là hạt bụi có thể gây lỗi tại công đoạn đó; thẻ 5 là wafer đã thử, ô ✕ là die hỏng, số die vẽ để minh họa.

Phòng sạch phân cấp ISO, dòng khí lọc và FOUP là ba lớp ngăn hạt bụi ở mọi công đoạn.
Số liệu