应用于半导体产品生产的植入式可靠度分析系统 【技术领域】
本发明涉及应用植入式可靠度分析系统(building-in-reliability diagnosissystem，BIRDS)于半导体产品生产，尤其涉及应用内建式可靠度分析系统于晶圆层级(wafer-level)的可靠度分析。
背景技术
已知技术中，大多是在晶圆完工、晶粒(chip)切割与个别晶粒封装完成后，才进行的半导体元件的可靠度分析与品管测试。一般称此为封装层级可靠度(package-level reliability，PLR)的测试分析。而由于封装层级可靠度分析已广泛地被使用，不只相关的技术与产品已成熟，测试所得数据与分析所得结果也已有足够的公信力。
但是封装层级可靠度分析有一个无法避免的缺点：相关的测试步骤相当的花时间，动辄数月之久。因此，随着半导体产品的商品生命期快速缩短，封装层级可靠度分析的使用便面对两难的困境：若耗时数月进行封装层级可靠度分析来确定某产品的可靠度，此产品往往已错失市场时机；若不作完整地封装层级可靠度分析便让某产品上市以争取时效，又不能确定此产品的可靠度。
同时，随着半导体产品的日益复杂，封装层级可靠度分析所需要进行的步骤、所需要使用的机台与所需要测试样品的数目都大幅增加。由于已知技术中，虽然个别步骤、个别机台与个别样品都有专人负责，将此步骤/机台/样品的品管与可靠度极佳化，但并没有统合所有部门(步骤/机台/样品)的品管与可靠度。因此，封装层级可靠度分析的可靠度往往不能极佳化(因为不同部门之间可能会相互抵消)，而且不同个体也不能分享彼此的经验与信息。
近年来，针对封装层级可靠度分析耗时过久的缺点，诸如德洲仪器等公司已逐渐发展出测试速度快得多的晶圆层级(wafer-level)可靠度分析。藉由在晶圆上各晶粒制程中或形成好后便进行可靠度测试，待测试(如晶圆针测，CP)通过验证后才进行切割封装的作法，可以大幅度减少可靠度测试所需要的时间。当然，晶圆层级可靠度分析与封装层级可靠度分析二者的步骤有所不同。
但是，已知的晶圆层级可靠度分析的实际应用，仍会遭遇下列二个缺点：第一、已知晶圆层级可靠度分析也无法有效整合各步骤/机台/样品的品管与可靠度，因此往往不能将整体品管与可靠度最佳化；第二、某些晶圆层级可靠度分析缺乏实验数据与理论根据，来证明其与封装层级可靠度分析是等效。
综上所述，与半导体制程的品管与可靠度有关的已知技术，都有尚待解决的不可忽略的缺点。
【发明内容】
本发明的主要目的是提供可以有效整合各步骤/机台/样品的良率与可靠度，进而将整体品管与可靠度最佳化的方法。
本发明另一主要目的是提供数据可以证明晶圆层级可靠度分析以及封装层级可靠度分析二者是否等效与相对应关系的方法。
本发明的基本特征是应用近年才被提出的植入式可靠度分析，来整合各个层级可靠度分析。特别是应用建立在各种可靠度分析测试数据的数据库(database)与分析工具，来有效发挥各种层级的可靠度分析。由于植入式可靠度分析系统是已知技术，在此将不多介绍，相关的细节至少可参阅：W.K.T.Kary Chien & Charles H.J.Huang，“Practical Building-In Reliability(BIR)Approaches forSemiconductor Manufacturing”，IEEE Transactions on Reliability，vol.51，no 3，September 2002.
本发明的应用，至少还可具有下列几个特征：
(1)利用BIRDS，可以掌握任何参数与最终结果的关系，不论这个参数是最终测量/最终产品的参数，或是中间测量/中间产品的参数。因此，藉由参考BIRDS，可以在产品设计阶段便有效评估各个细节与对最终产品可靠度/品质的影响，而不用等到产品形成后才进行可靠度的测量与修正。
(2)任何与可靠度有关的问题，都可以通过BIRDS回溯既往数据，依照经验并通过推理引擎而有效地找到根本原因。
(3)由于BIRDS是一个整合性的系统，可以建立现有技术下包含所有与可靠度有关项目的数据库。对新技术开发、制程最佳化、制程监控、可靠度监控与良率改善，都可以提供重要的参考依据。
【附图说明】
图1A至图1B为已知技术的主要特征的横截面示意图；
图1C至图1D为本发明的主要特征的横截面示意图；
图2为本发明一较佳实施例的基本流程图；
图3A至图3C为本发明另一较佳实施例的基本构成图；以及
图4A至图4D分别显示已知半导体制造程序以及应用本发明的半导体制造程序的基本流程。
【具体实施方式】
首先，图1A与图1B显示已知技术的一大基本特征：只有在各机器11与各步骤12分别进行可靠度(或品管)的测量并获得相关信息13，但不同机器11与不同步骤12并没有分享彼此的信息13，而且不同机台间也有交互作用，但这些常被忽略，但这些数据并无有目的性的被记录，只是零散地存在不同的系统。
相对地，图1C与图1D显示本发明的一大基本特征：将所有个别的信息13即时地整合成一个数据库14，并使用已知的植入式可靠度分析15，配合电脑化工具与统计等方式，获得整体的可靠度分析结果，并回馈至各机器11与各步骤12的进行。如此作，本发明不只可以在各步骤11与各机器12运作前，便考虑可能影响可靠度的因素而进行调整；可以在各步骤12与各机器11运行中，便即时根据测量数据与数据库14的对比预判结果的可靠度与进行修正；更可以整合各机器11与各步骤12个别调整，以追求最终产品或整条生产线的最佳化可靠度。
根据上述的基本概念，本发明一较佳实施例为一种应用内建式可靠度分析系统于半导体产品生产的方法。如图2所示，至少包含下列基本步骤：
如第一背景方块21所示，准备多个机器与多个晶圆。在此任一机器是用来对至少一晶圆进行至少一可靠度分析程序，而任一晶圆至少被一机器所处理。
如第二背景方块22所示，准备一内建式可靠度分析系统。此内建式可靠度分析系统至少包含数据库(Database)、评估总成(Assessment assembly)、基线总成(Baseline assembly)、控制总成(Control assembly)与发展总成(Developmentassembly)、搜寻总成(Search assembly)，查询总成(Query assembly)，与分析总成(Analysis assembly)。
如调整方块23所示，参考内建式可靠度分析系统，调整这些机器与这些可靠度分析程序的参数。
如可靠度测量方块24所示，使用这些机器对这些晶圆进行这些可靠度分析程序，并同时记录任一可靠度分析程序、任一机器与任一晶圆之多个信息。在此，这些信息除了至少包含任一可靠度分析程序的运作参数、任一机器的工作参数以及任一晶圆的测量结果，更包含了可靠度分析程序所发现或发生的问题，以及解决问题的方式。
如回馈方块25所示，分析并整合这些信息至内建式可靠度分析系统，藉以获得半导体产品的产品可靠度与半导体产品制造过程的制程可靠度，并更新内建式可靠度分析系统。
在此，必须强调的是本实施例并没有限定所使用可靠度分析程序的细节，本实施例可以应用在传统的封装层级可靠度分析程序或是新近产品的晶圆层级可靠度分析程序。本实施例所使用的可靠度分析程序至少可以是下列之一(但不限于此)：制程验证(Process Qualification)相关程序、产品验证(Product Qualification)相关程序、制程评估(Process Evaluation)相关程序、产品评估(ProductEvaluation)相关程序、制程监测(Process Monitor)相关程序、定期产品监测(Routine Product Monitor)相关程序、在线制程评估与监测(In-Line ProcessEvaluation & Monitor)相关程序。
制程验证(Process Qualification)及监测(Monitor)相关程序至少可以是下列之一(但不限于此)：热载子注入测试(Hot Carrier Injection Test)、介电质崩溃时间测试(Time Dependent Dielectric Breakdown Test)、崩溃电压测试(VoltageRamp Test)、偏压温度测试(Bias Temperature Test)、电子迁移测试(Electromigration test)、离子移动率测试(Ion Mobile Test)、应力迁移测试(Stress Migration Test)、电浆引发损坏测试(Plasma Induced Damage Test)。
晶圆层级可靠度控制(Wafer-Level-Reliability Control)及监测(Monitor)与在线制程评估与监测(In-Line Process Evaluation & Moni tor)相关程序至少可以是下列之一(但不限于此)：热载子注入测试(Hot Carrier Injection Test)、崩溃电压测试(Voltage Ramp Test)、恒温电子迁移(Isothermal ElectromigrationTest)。
产品验证相关程序至少可以是下列之一(但不限于此)：高温寿命测试(HighTemperature Operating Life Test)、低温寿命测试(Low Temperature OperatingLife Test)、早期失效率测试(Early Failure Rate Test)、加速老化测试(HighlyAccelerated Stress Test)、预条件测试(Pre-conditioning Test)、压力锅测试(Pressure Cooker Test)、恒温恒湿测试(Temperature & Humidity With BiasTest)、热冲击测试(Thermal Shock Test)、温度变化循环测试(Temperature CyclingTest)、高温储存测试(High Temperature Storage Test)、低温应力测试(LowTemperature Stress Test)、加速软错误率测试(Accelcrated Soft Error RateTest)、静电放电测试(Electrostatic Discharge Test)、栓锁测试(Latch UpTest)、系统软错误率测试(System Soft Error Rate Test)。
另外，由于本实施例所引用的植入式可靠度分析，是一种可以适合即时(in-time)反应的方式。在可靠度测量方块24中，本实施例往往是一面进行可靠度分析程序，一面将相对应信息进行分析与整合。进一步地，由于传统封装层级可靠度分析程序往往不能一面进行生产一面测量，只有新近的晶圆层级可靠度分析程序往往可以一面进行生产一面测量，因此本实施例特别适用于晶圆层级可靠度分析。
在此，由于内建式可靠度分析是近年新被提出的概念，已算是已知技术的概念而只是几乎未曾被具体应用，在此，将不针对内建式可靠度分析的细节进行解释，只是摘要描述本实施例所使用建立在内建式可靠度分析的可靠度分析系统的一些主要特征如下：
(1)不被动地测量最终产品，而是直接测量与控制最终产品制造过程的多数参数。例如各机器的工作参数，或是各步骤的流程参数，以预知产品可靠度。
(2)垂直整合完整流程(flow)中前后进行的多个次流程(sub-flow)(或说多个步骤)的多数数据，藉以克服已知技术中不同次流程的个别晶管/可靠度相关讯息无法系统化交流的缺点。
(3)水平整合同一次流程中同时分别进行的多个单元(如多数机器)的多个数据，藉以克服已知技术中不同单元的个别品管/可靠度相关讯息无法系统化交流的缺点。
(4)藉由持续记录与分析比较来自于多个来源的多笔数据，来评估任一来源的可靠度以及任一来源的变化对整体的影响。
(5)通过数据分析的方法建立可靠度与其它参数的关系。在此可能应用的数据分析至少有贝式定理(Bayesian Approach) 、管制图(Statistical ControlChart)、因素分析(Factor Analysis)、变异数分析(Analysis of Variances)、多变量分析(Multivariate Analysis)、判别分析(Discriminant Analysis)、主成份分析(Principal component analysis)、实验设计/反应曲面(Designs ofExperiments/Response Surface Method)、回归分析(Regression Analysis)、决策树(Decision Tree)、迪克莱特程序(Dirichlet Process)、混合整数规划(Mixed Integer Programming)、线形及非线性规划(Linear/Non-linearProgramming)、等候理论(Queuing Theory)、随机过程(Stochastic Process)、资源规划(Resources Planning)，而可能的其它参数至少有制程监控参数、良率、特定的晶圆接受度测试(Wafer Acceptance Test)参数、线上机器参数、晶圆针测(Chip Probing)参数、最终检测(Final Test)参数、可靠度测试参数。
(6)通过数据分析所建立的可靠度与其它参数的关系，包含任一该参数的参数值与最终产品的可靠度的关系。因此，可以在制程进行中发现此参数值异常时，便能预测最终产品的可能缺点与可靠度，进而据以进行修改。
(7)通过数据分析方式，比较不同制程技术下可靠度与某些特定参数间关系的变化，提供从已有制程技术的可靠度推算新制程技术的可靠度的途径。例如根据已成熟的0.30，025，0.20微米制程与0.18微米制程的电子迁移测试与介电质崩溃测试等的测试数据，推算不同制程的参数与成品的关系，进而推算正在发展中的0.15及0.13微米制程与0.18微米制程的参数与成品关系。
当然，为了与其它技术及其它电脑软件相整合，本实施例可以让植入式可靠度分析系统的数据格式与其它常见数据分析软件相容，例如Excel、JMP、MATLAB与SAS。
除此之外，为了让任何使用者都可以获得任何先前建立与这些机器、这些晶圆与这些可靠度分析程序有关的讯息，本实施例还提供了搜寻总成与查询总成，提供使用者自数据库主动搜索并获得所需讯息的管道。当然，搜寻总成所使用搜寻引擎的人工智慧，最好是具有学习的功能，可以根据历次查询的关键字使用过程与最终查询结果的关系，修改搜寻使用的规则，并建立不同使用者的个人化搜寻规则。
另外，本实施例还可以使用植入式可靠度分析系统所产生的图示与报表，例如图形报表(Graphical report)与工作日报、周报，主动提供产品设计人员与研发人员在产品实际在生产线进行生产前，就可以考虑可靠度因素的参考讯息，例如不同参数值与最终产品的可靠度的关系、不同参数值与完整制程的可靠度的关系、目前测量结果与预估可靠度的关系。当然，在此图示与报表的产出，可以是定期地产出，也可以是应产品设计人员与研发人员等的要求产出，而也可以是在实际测量结果与预计测量结果的差别超过一预定量时，主动地随时提供测试结果报告与失效分析报告，提供即时的可靠度信息。
进一步地，由于植入式可靠度分析系统可以记录任何测试程序的细节与任何机器的状况，本实施例还可以利用内建式可靠度分析系统进行这些机器的排程(工作进度)。本实施例可以根据已登记的工作进度，主动通知操作者将要进行的测试；可以根据已登记工作进度以及已储存的各种测试相关数据(如耗时多少等)，判断何时有机器有足够空档可以进行测试；还可以根据所储存的各种测试相关数据，提供与任何测试有关的讯息，提醒操作者何时该进行那些准备。这些测试与机器的关系，亦提供了日后筛选数据的重要讯息。例如，当一机器故障时，使用者可依该机器编号，筛选出由该机器产出晶圆的可靠度测试数据，藉以了解该故障可能导致的可靠度问题。
除此之外，本实施例可使用该内建式可靠度分析系统提供防呆功能。藉由参考内建式可靠度分析系统已储存的数据，如果某机器或某步骤的操作人员在调机器与可靠度分析程序的参数时，所设定的参数值有格式错误或与数据库的可接受标准值有明显偏差，便主动发出警告。
本发明的另一较佳实施例为一种应用内建式可靠度分析于半导体产品生产的系统。如图3A所示，至少具有：植入式可靠度分析总成31、失效处理总成32、失效报告总成33、排程总成34、产品验证/监测/评估(Product Qualification)报告总成35、制程验证/监测/评估(Process Qualification)报告总成36、晶圆层级可靠度控制/在线制程评估/监测(Wafer Level reliability Control)总成37、报告总成38和分析总成39。
内建式可靠度分析总成31同时与多数机器、多数产品与多数制程步骤交换多数数据，并使用已知的内建式可靠度分析处理这些数据而产生多数运作相关讯息。
失效处理总成32接收植入式可靠度分析总成31所传输过来的与这些机器、这些产品验证与这些制程验证相关的多数失效讯息，并分析这些讯息。失效报告总成33根据失效处理总成32所产生的多数失效相关讯息，产生与这些机器、这些产品验证与这些制程验证相关的多数失效报告。
排程总成34根据这些运作相关讯息安排这些机器、这些产品与这些制程步骤的工作流程，并提供与排定工作流程相关的多数工作相关讯息，以使机台使用率及人力配置可以尽可能地最佳化。如当数据异常时排程总成能追踪到相关测试机台的历史数据，以了解机台的准确度(Accuracy)与精确度(Precision)，进而从这些数据追踪到相对出问题的机台；显示每个测试者做了哪些测试；此外，排程总成会主动通知测试者何时测试；并会显示每一机台的目前状态及利用率，如有多个申请者申请同一时段使用同一机台，则会主动告知相关人员以进行协商，以使各种资源能达到最佳利用。
产品验证/评估/监测报告总成35通过内建式可靠度分析总成31以及这些运作相关讯息，产生与这些产品相关的多数产品品质讯息。制程验证/评估/监测报告总成36通过内建式可靠度分析总成31以及这些运作相关讯息，产生与这些制程验证相关的多数制程性能讯息。晶圆层级可靠度控制/在线制程评估/监测总成37通过内建式可靠度分析总成31以及这些运作相关讯息，产生与这些产品、这些机器与这些制程步骤相关的多数可靠度讯息。
报告总成38系根据自动输入的产品验证/监测/评估报告总成35、制程验证/监测/评估报告总成36以及晶圆层级可靠度控制/在线制程评估/监测总成37相关数据，产生与这些机器、这些产品验证与这些制程验证相关的综合报告；报告总成系自动输入原始数据，其做法乃自动生成关键词、自动侦察固定储存区是否有新的测试数据，如有新的测试数据，则将数据自动键入数据库，以减去人工输入所造成的错误、降低测试者的负担；此外，报告总成利用自动生成的关键词，可查询并快速找到所需的综合报告及相关文档。
分析总成39至少根据产品/监测/评估报告总成35、制程/监测/评估报告总成36、晶圆层级可靠度控制/在线制程评估/监测总成37以及失效报告总成33产生与这些机器、这些产品验证与这些制程验证相关的综合性数据分析。并可视需要进一步根据排程总成34及/或失效报告总成33来产生与这些机器、这些产品验证与这些制程验证相关的综合性数据分析。
在此，由于产品/监测/评估报告总成35、制程验证/监测/评估报告总成36以及晶圆层级可靠度控制/在线制程评估/监测总成37的主要功能是产生这些产品品质讯息、这些制程性能讯息、这些可靠度讯息，因此报告总成38可以仅根据这些讯息来产生综合报告，分析总成39也可以仅根据这些来进行综合性数据分析。
相同地，由于排程总成24已接收内建式可靠度分析总成21所产生的所有运作相关讯息，如图3B所示，本实施例可以让产品验证/监测/评估报告总成35通过排程总成34与植入式可靠度分析总成31连接；可以让制程/监测/评估报告总成36是通过排程总成34与植入式可靠度分析总成31连接；可以让晶圆层级可靠度控制/在线制程评估/监测总成37通过排程总成34与植入式可靠度分析总成31连接，也可以让分析总成39通过失效报告总成33与失效处理总成32连接。当然，图3B所示仅为一种可能架构，本实施例并不限定植入式可靠度分析总成31必须同时通过排程总成34与产品验证/监测/评估报告总成35通过、制程验证/监测/评估报告总成36以及晶圆层级可靠度控制/在线制程评估/监测总成37进行连接，而是可以个别地通过排序总成34进行接收。
此外，为了提供回馈的功能，如图3C所示，植入式可靠度分析总成31可以接收综合报告，并整合综合报告至这些运作相关讯息；植入式可靠度分析总成31也可以接收综合性数据分析，并整合综合性数据分析至这些运作相关讯息；并且植入式可靠度分析总成31也可以接收失效报告，并整合失效报告分析至这些运作相关讯息。当然，图3C所示仅为一种可能架构，本实施例并不限定植入式可靠度分析总成31必须同时接收综合报告、运作相关讯息以及失效报告，而是可以个别地接收。
再者，晶圆层级可靠度控制/在线制程评估/监测总成37可以进行晶圆层级可靠度分析，本实施例并不限制这些细节。但为了发挥植入式可靠度分析的性能，本实施例较适合应用在可以即时监测的晶圆层级可靠度分析。举例来说，晶圆层级可靠度控制/在线制程评估/监测总成37可以进行的各种可靠度分析程序可以是选自下列各种测试：热载子注入测试、电子迁移测试、崩溃电压测试。
接下来，为了简明地强调应用本发明对半导体产品生产程序的影响，图4A至图4D分别显示已知半导体制造程序以及应用本发明的半导体制造程序的基本流程。
如图4A与图4B所示，已知半导体制造程序通常可以分为四大步骤方块(研发设计步骤方块41、制造步骤方块42、测试方块43以及可靠度分析方块44)与二大相关讯息方块(制造步骤相关数据方块45以及产出相关数据方块46)。
研发设计步骤方块41是指正式进行生产之前的一切动作，例如待制造产品的产品规格开发、待制造产品的测试以及待进行的制造步骤的调整测试等等。
制造步骤方块42是指正式进行待制造产品的生产的一切动作，例如晶圆清洁(clean)、氧化(oxidation)、热处理(thermal treatment)、微影(photolithography)、蚀刻(etching)、掺杂(doping)、扩散(diffusion)、金属导线形成(metalization)等等。
测试方块43是指在产品制造好后对产品的品质等的测试动作，例如晶圆接受度测试(wafer acceptance test)以及晶粒探针测试(chip probing test)。
可靠度分析方块44是指对大批产品以及相关制造步骤的可靠度分析，至少制程可靠度及产品可靠度这二部份的可靠度。
制造步骤相关数据方块45是指制造步骤方块42中所有动作的进行、执行这些动作的机器、执行这些动作的操作人员等等，在进行制造步骤方块42时所产生的一切数据。
产出相关数据方块46是指测试方块43中所有动作的进行、执行这些动作的机器、执行这些动作的操作人员等等，在进行测试方块43所产生的一切数据。
如图4C与图4D所示，应用本发明的半导体制造程序除了拥有已知的三大步骤方块(研发设计步骤方块41、制造步骤方块42以及测试方块43)与二大相关讯息方块(制造步骤相关数据方块45以及产出相关数据方块方块46)外，还额外拥有植入式可靠度分析方块47以及线上可靠度监测次方块48以及可靠度控制次方块49。在此，植入式可靠度分析方块47取代了已知技术的可靠度分析方块44，而线上可靠度监测次方块48至少可以是晶圆层级可靠度分析。
植入式可靠度分析方块47系用以执行植入式可靠度分析的方块，与已知技术的可靠度分析方块44相比较，至少具有下列的特征：
(1)植入式可靠度分析方块47会接收制造步骤相关数据方块45以及产出相关数据方块46，并根据这些数据来进行植入式可靠度分析。
(2)植入式可靠度分析方块47会分别与制造步骤方块42以及测试方块43二者进行系统化地互动，例如数据交换、即时修正、以及即时状况报告等等。
(3)植入式可靠度分析方块47会系统化地将运作结果传输至研发设计步骤方块41。藉此，使得研发设计步骤方块41的运作即可引入可靠度的考虑。
(4)植入式可靠度分析方块47至少可以进行下列的动作：制程可靠度评估、晶圆层级可靠度分析、产品可靠度评估、数据分析、排程、报表产生、失效分析以及失效分析报告。
在此，线上可靠度监测次方块48作为植入式可靠度分析方块47与制造步骤方块42的界面，而可靠度控制次方块49系作为植入式可靠度分析方块47与制造步骤方块42的界面。
显然地，已知技术中中不同步骤方块(41/42/43/44)之间的关系为单行道，先进行方块无法预知随后进行方块的内容，随后进行方块的内容也不能回馈至先进行方块。并且不同讯息相关方块(45/46)不只是相互独立的，而且也无法回馈至各个讯息相关方块(41/42/43/44)。
相对地，本发明可以让不同步骤方块(41/42/43/44)之间的关系为双向来回，先进行方块可以预知随后进行方块的内容，随后进行方块的内容也可以回馈至先进行方块。并且不同讯息相关方块(45/46)不只可以通过植入式可靠度分析方块47相互整合的，也可以通过植入式可靠度分析方块47回馈至各个讯息相关方块(41/42/43/44)。
最后，必须强调地是上述各本实施例的各种可能变化、各种可能功能与各种构成都是相互独立的，除非上述说明中有特别明文限制，应用各本实施例时都可以视实际需要选择所需要的变化、功能与构成。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用以限定本发明的申请专利范围；凡其它未脱离本发明所揭示的精神下所完成的等效改变或修饰，均应包含在下述的申请专利范围中。