半導体前工程（ウェハ加工工程）の課題とＩＴ技術

(1)

半導体前工程

（ウェハ加工工程）の

課題とＩＴ技術

２００７年７月２６日２００７年７月２６日 NEC NECエレクトロニクス（株）エレクトロニクス（株）本間本間三智夫三智夫

(2)

半導体前工程の課題（品質）半導体前工程の課題（品質） 90nm 65nm 45nm 32nm 装置の基本性能（EEQA／EEQM) AEC 装置メーカーの差異化領域 APC デバイスメーカーの差異化領域装置プロセスの基本性能先端プロセス要求性能 FDC （アラーム役）前世代の関係に基づき、装置側／DM 側の責任分担決定微細化ノードバラツキ制御要求バラツキ制御要求の増大を解決するためには、装置メーカとデバイスメーカ間の情報交換の重要性増大（品質制御と装置制御の融合） AEC：装置内部のFB/FF制御 APC：装置間を跨るFB/FF制御 Source：２００５ＳｏＣ製造エンジニアリングに関する調査報告書

(4)

半導体前工程の課題（コスト）半導体前工程の課題（コスト） 0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% ＜5 ＜10 ＜25 ＜100 <1000 ＜2000 >2000 オーダーサイズの分布イメージ 0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35% 40% 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 ロット数割合 (% ) ロットサイズ(枚) _{ライン Max Lot枚数} 平均サイズ：7 ﾒｼﾞｱﾝ多品種変量対応生産制御技術の必要性を示唆 SoC製造Fabのロット枚数分布例 Hot-Lot、試作製品、プロセス試作等、SoCでは構成枚数の小さいロットの割合が多い。 7枚以下ロット45% 0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35% 40% 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 ロット数割合 (% ) ロットサイズ(枚) _{ライン Max Lot枚数} 平均サイズ：7 ﾒｼﾞｱﾝ多品種変量対応生産制御技術の必要性を示唆 SoC製造Fabのロット枚数分布例 Hot-Lot、試作製品、プロセス試作等、SoCでは構成枚数の小さいロットの割合が多い。 7枚以下ロット45% ロット数割合（指数）０フルロット内枚数平均サイズ平均サイズ以下 SoC製造Ｆａｂのロット枚数分布イメージ 0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35% 40% 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 ロット数割合 (% ) ロットサイズ(枚) _{ライン Max Lot枚数} 平均サイズ：7 ﾒｼﾞｱﾝ多品種変量対応生産制御技術の必要性を示唆 SoC製造Fabのロット枚数分布例 Hot-Lot、試作製品、プロセス試作等、SoCでは構成枚数の小さいロットの割合が多い。 7枚以下ロット45% 0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35% 40% 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 ロット数割合 (% ) ロットサイズ(枚) _{ライン Max Lot枚数} 平均サイズ：7 ﾒｼﾞｱﾝ多品種変量対応生産制御技術の必要性を示唆 SoC製造Fabのロット枚数分布例 Hot-Lot、試作製品、プロセス試作等、SoCでは構成枚数の小さいロットの割合が多い。 7枚以下ロット45% ロット数割合（指数）０フルロット内枚数平均サイズ平均サイズ以下 SoC製造Ｆａｂのロット枚数分布イメージロット内枚数の分布イメージ OEE=Equipment

Adding value is only

40%! NPW Processing Set-Up NPW Processing Set-Up Unscheduled Down Unscheduled Down Scheduled down Scheduled down waiting waiting OEE：装置が加工している時間率（有効稼働率）オーダサイズ、ロットサイズの縮小は、装置の有効稼働率OEEを下げている（管理粒度の枚葉化） Source - SEMATECH

(5)

半導体前工程の課題（納期）半導体前工程の課題（納期）微細化ノードマスク数 TAT：Turn around Time

マスクレイヤ当たりのサイクルタイムマスク回数：約40回工程数：約700 微細化により、マスク回数（工程数）が増加するため、顧客ＴＡＴ要求を満たすために、工程内のサイクルタイムを短縮しなければならない（生産性とサイクルタイムのバランス問題解決）

(6)

半導体前工程の課題（フレキシビリティ）半導体前工程の課題（フレキシビリティ）まとめ生産作りすぎのムダ機会損失工程間の在庫の増大 z 見込み生産 z 大きなWIP、納期増大 z 大きな品質事故工程１工程２段取り作業段取り作業 NPW NPW A_A A_A A_A A_A こまめ生産 z段取り作業の増大 z品質確認作業の増大 zオーダにあった生産 z開発とリンクした生産新製品・試作品の投入工程１工程２ B B NPWNPW BB A A A_A C_C A_A 段取り作業段取り作業段取り作業段取り作業段取り作業段取り作業 B B B_B C_C D_D E_E 段取り作業段取り作業段取り作業 •徹底した段取り時間の削減 •搬送ｽｹｼﾞｭｰﾙの高度化 •迅速な品質管理技術確立、等 NPW NPW BB BB BB BB NPW NPW CC CC CC CC NPW:非製品ウェーハ 見込み、まとめ生産のリスクをさけるために、こまめ生産を実施しなければならないが、段取り低減、搬送時間低減などの対策を実現しなければならない。（装置観点とウェハ観点の情報統合）

(7)

これまでのこれまでのITIT化の歴史化の歴史生産制御生産管理搬送全工程条件設定作業報告ｵﾝﾗｲﾝ化率向上製品作業完全自動化特殊作業自動化 PC利用による履歴の統計解析仕掛･実績把握進度管理実績管理予測管理生産ｼﾐｭﾚｰﾀ利用作業指示高度化人手搬送工程間AGV 工程間天井搬送工程内AGV/RGV 高速化 OHT登場 AGV/RGV:ﾛﾎﾞｯﾄ付自動搬送車 OHT：吊り下げ式天井搬送車年代 1985 1990 1995 2000 ｳｪﾊｻｲｽﾞ 5 6インチ 200mm 300mm ロット単位の枚葉情報制御 EESの利用拡大 2005 情報の統合化品質管理管理図管理システム化歩留管理システム APC／ＦＤＣ それぞれの管理機能の自動化と人支援機能の高度化のＩＴ化が進んできた

(8)

半導体工場イメージ

OHT:吊り下げ式自動搬送者装置

(9)

ソフトのプラットフォーム

ＨＨ (200mm時代以前) (200mm時代：1990年代) ＡＢＣＤＥＦ PC BC PC C/C C/T ＭＭＭＭホスト集中システムｾﾙｺﾝﾄﾛｰﾙｼｽﾃﾑ機能分散統合システム H ：ホスト M ：装置 D/B：データベース C/C ：セルコントローラ C/T ：通信端末 A～F：各種機能サーバー(条件の指示,作業報告の収集,品質情報管理, 稼働情報管理,作業順序の指示,搬送ｺﾝﾄﾛｰﾙ etc) PC ：データ出力ターミナル BC ：他システムとのネットワークＭＭ D/B D/B C/C _D/B ＭＭＭ C/C _D/B ＭＭＭＭ MES MES MES 従来のソフトのプラットフォームは、MESが役割を果たしていた MES：工場ホスト（ネットワークを含む）

(10)

情報連携の課題（階層を跨る情報連携）（１）

parts Equipment

Inner equipment module Equipment group Factory System 装置管理情報品質管理情報（プロセス制御情報）生産管理情報階層を跨った情報連携により、バラツキ制御を行う、また、装置状態と連携したディスパティングを行う仕組み作りが必要

(11)

階層的品質管理階層的品質管理ｰｰ装置・プロセス制御装置・プロセス制御ｰｰ • プロセス結果（出来栄え）は装置の各機能によって支えられる • 装置の各機能は各パーツによって支えられる EEQM パーツレベル品質装置・機能品質装置単体出来栄え品質プロセス結果 Temperature Pressure Heater TC B. Valve CM ComponentのQuality保証 • オフセット、ドリフトの検知 • 寿命予測機能のQuality保証 • 制御の精度（Offset、 Linearityなど） • 制御逸脱の予測出来映え • 膜厚などの保証 Gas MFC FM 日本が得意な装置・プロセスの品質管理技術を製品の品質に結びつける技術開発が重要

(12)

階層的装置管理・実例階層的装置管理・実例ﾚﾍﾞﾙ例内容図解ﾊﾟｰﾂﾚﾍﾞﾙﾏｽﾌﾛｰﾒｰﾀ •関係曲線のﾄﾞﾘﾌﾄを監視し、ﾄﾞﾘﾌﾄ量が規格に達すると、装置が自己診断してｱﾗｰﾑを発する。それにより、ﾏｽﾌﾛｰが故障する前に変更する。機能ﾚﾍﾞﾙｳｪﾊｽﾃｰｼﾞ •ｳｪﾊｽﾃｰｼﾞの上下移動時間を監視し、異常な時間分布がでてきたら、ﾒﾝﾃﾅﾝｽを実施し、故障前に処置をとる。ﾏｽﾌﾛｰﾒｰﾀ制御ﾌｨｰﾄﾞﾊﾞｯｸ制御電圧制御流量規格自己診断ﾄﾞﾘﾌﾄｵﾌｾｯﾄとﾄﾞﾘﾌﾄを監視ｳｪﾊｽﾃｰｼﾞの上下移動 3 3.5 4 4.5 5 5.5 12/14 12/15 12/16 12/17 12/18 12/19 12/20 12/21 12/22 Op e ra ti on t ime ） Calendar date

Source 2002 e-manufacturing workshop ULVAC

3 3.5 4 4.5 5 5.5 12/14 12/15 12/16 12/17 12/18 12/19 12/20 12/21 12/22 Op e ra ti on t ime ） 3 3.5 4 4.5 5 5.5 12/14 12/15 12/16 12/17 12/18 12/19 12/20 12/21 12/22 Op e ra ti on t ime ） Calendar date

(13)

２つのラインバランス２つのラインバランス • １、装置能力の違いによるラインバランス – ネック設備の能力以上の能力を持つ設備はムダに能力を持っていることになる。 – 大規模ラインほど台数の調整で、設備のムダ能力が小さくなる（ラインバランスがよくなる）装置能力の違いによるラインバランス 45,196 51,063 51,079 51,079 54,188 54,275 55,150 55,988 57,435 57,606 57,930 57,992 58,106 58,452 58,604 60,063 64,731 64,731 65,776 65,791 71,541 73,663 74,136 78,786 82,404 82,743 82,890 86,507 95,622 Eq ui pment Gr ou p → Capacity(%)→ 投資効率のロス

(14)

２、ジョブフローラインの仕掛の脈流によるラインバランス２、ジョブフローラインの仕掛の脈流によるラインバランス

Relation between WIP and Lead time/Output

Lead tim

e

0

Output

Lead time Min

Lead time with equipment trouble

Output with Equipment trouble Output Max WIP A B Lead time Output EES Integrated equipments

Single wafer control APC/IM

Relation between WIP and Lead time/Output

Lead tim

e

0

Output

Lead time Min

Lead time with equipment trouble

Output with Equipment trouble Output Max WIP A B Lead time Output EES Integrated equipments

Single wafer control APC/IM 工程仕掛ロット数仕掛が工程のよりバラツキ_{時間経過とともに変化する} 装置の台数が異なる生産では、工期を一定レベルに設定すると、ラインのスループットが犠牲になる。設備が不安定だったり、多品種化で専用設備が多くなると、さらに生産能力低下が大きくなる。

(15)

ＩＴ化の方向

•ＩＴ化するドメイン（機能と階層）を限定する •リソースをそのドメインで利用できる構造にモデル化する •再利用化できる構造化を図る •リソースを利用する業務者を決める（場合によっては自動化を考える） •その後、リソースモデルを集合した新たなコンポーネントを作る。 •この、コンポーネントをベースに機能別の判断ルールや業務フローなどを個別に決定し、コンテンツ化する

(16)

工場の能動的可視化と俊敏な実行体制工場の能動的可視化と俊敏な実行体制 Data spec Data spec ・戦略に従った分析、検討工場の変化する状況を戦略的に分析し、解決施策を導き出す

Item

Item OperationOperation ItemItem Resource Resource Order Order Event Event Task

Task LotLot Eent Eent Begin End Consumption Generation Utilization loading WIP Item

Item OperationOperation ItemItem Resource Resource Order Order Event Event Task

Task LotLot Eent Eent Begin End Consumption Generation Utilization loading WIP ・再利用／構造化・プラットフォーム化・モデル化・階層化専任部隊固有技術者責任と権限能動的な可視化解決・実行製品装置人ﾘｿｰｽ Tool activity QA QA of process actuators Tool activity QA QA of process actuators QA in process condition control Device Quality Assurance Process conditions parametric assurance (such as FDC @factory level)

Tool activity QA QA of process actuators Tool activity QA QA of process actuators QA in process condition control Device Quality Assurance Tool activity QA QA of process actuators Tool activity QA QA of process actuators QA in process condition control Device Quality Assurance Process conditions parametric assurance (such as FDC @factory level)

(17)

IT

化の課題

• コンテンツを以下に特許や著作権で守れるかの研究が不十分 – 技術移転できるものと秘密として秘匿しなければならないものの区別が難しい • 例：プロセスレシピーは特許になるのか • 設計情報と販売情報の連携は、どのようにして実現すればいいのか

(18)

ECM ECMととSCMSCMの融合の融合 e-Mfg ECM SCM customer design mask Process develop YMS EES MES Wafer Fab Engineering data Sales data PCS

YMS :Yield Management System

MES :Manufacturing Execution System MCS: Material control system

PCS : Process Control System

Agile-Mfg

DFM

DFM :Design for Manufacturing

APC AEC _PV Hierarchical Quality Assurance MCS Process

development Pilotproduction

Assemble TEST Fab RosettaNet Mass production 設計情報と販売情報は流れるように連携する必要がある

(19)

まとめ

• 半導体前工程は、微細化と多品種化の進展にともない、情報量の爆発的増大と業務領域を跨る情報の連携のニーズが増大 • これまでのIT化は、機能毎のシステム開発 • 今後は、機能化や階層間を跨るＩＴシステムの開発が重要 • 今後のＩＴシステムは、ドメインの最適化と再利用できるコンポーネントの作成がプラットフォーム作成で重要 • コンテンツの特許化、著作権化の研究が重要 • ECMとSCMの統合化を指向

半導体前工程（ウェハ加工工程）の課題とＩＴ技術