Розробка методів та засобів забезпечення технологічності МОН-структур мікроелектронних пристроїв в умовах автоматизованого виробництва

Размещено на http://www.allbest.ru/

Чернівецький державний університет ім. Ю. Федьковича

Данчишин Ігор Васильович

УДК 621.382

РОЗРОБКА МЕТОДІВ ТА ЗАСОБІВ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ТЕХНОЛОГІЧНОСТІ МОН-СТРУКТУР МІКРОЕЛЕКТРОННИХ ПРИСТРОЇВ В УМОВАХ АВТОМАТИЗОВАНОГО ВИРОБНИЦТВА

Спеціальність 05.27.01 - Твердотільна електроніка

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Чернівці -1999

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Державному університеті “Львівська політехніка” Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент Павлиш Володимир Андрійович, проректор Державного університету “Львівська політехніка”

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Дружинін Анатолій Олександрович професор кафедри напівпровідникової електроніки Державного університету “Львівська політехніка”;

кандидат фізико-математичних наук, с.н.с. Клюй Микола Іванович старший науковий співробітник Інституту фізики напівпровідників НАН України.

Провідна установа: науково-виробниче об'єднання “Карат” Міністерства промислової політики України м. Львів, відділ фізики та технології монокристалічних матеріалів.

Захист відбудеться “1” червня 2000 р. о 15 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К76.051.06 у Чернівецькому державному університеті ім. Ю.Федьковича за адресою: 58012, м.Чернівці - 12, вул. Коцюбинського, 2.

З дисертацією можна ознайомитися у науковій бібліотеці університету за адресою: 58012, м.Чернівці-12, вул.Л.Українки, 23

Автореферат розісланий 28 квітня 2000 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Курганецький М.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Розвиток та удосконалення мікроелектронних пристроїв (МЕП) на сучасному етапі відбувається в напрямку створення складних систем високого ступеня інтеграції з покращеними технічними характеристиками і вимагає застосування найновіших досягнень науки, техніки та технології.

Суттєве підвищення вимог до мікроелектронних пристроїв, розширення їх функціональних можливостей призводить до ускладнення структури, збільшення кількості елементів, висуває на передній план проблему забезпечення технологічності. В даний час ця проблема набуває особливої гостроти, передусім у зв'язку з ускладненням інтегральних схем (IC) на МОН-структурах спеціального призначення, які використовуються в різноманітних областях (космічна, авіаційна техніка, спеціалізовані пристрої контролю систем енергозабезпечення та ін.) як в Україні, так і за кордоном. Забезпечення їх технологічності в умовах автоматизованого виробництва необхідне для отримання гарантованого виходу придатних (ВП), підтримання на належному рівні ефективності та якості виробництва. Успішне вирішення цієї проблеми можливе шляхом побудови моделей мікроелектронних пристроїв на МОН-структурах з використанням фізико-технологічних моделей областей елементів ІС, розробки методів та засобів діагностування дефектності мікроструктур та врахування її при синтезі конструктивно-технологічного варіанту (КТВ).

В даний час достатньо повно розроблено теоретичні та практичні аспекти забезпечення технологічності мікроелектронних пристроїв із врахуванням параметричних відмов, що представляють собою відхилення контрольованого параметра від номінального значення, але питання пов'язані з непараметричними (катастрофічними) відмовами потребують свого вирішення, що зумовлює необхідність у дослідженнях вказаної проблеми. Для контролю та аналізу параметричного браку розроблено як математичний апарат, так і ряд технічних та технологічних рішень, проте для врахування непараметричного браку загальноприйнято використовувати n-мірний вектор завад при використанні статистичних методів регресійного та кореляційного аналізу, в основі яких лежить схема аналізу механізму процесу у вигляді “вхід-вихід”, що призводить до значних похибок при оцінці виходу придатних.

Одним з найважливіших джерел непараметричного браку інтегральних напівпровідникових пристроїв є наявність забруднень у виді дискретних частинок на різних етапах виробництва. Існуючі методи контролю та боротьби із забрудненнями і врахування “чутливості” конструктивно-технологічного варіанту МЕП до сторонніх частинок є недостатньо ефективними, що призводить до підвищення вимог до чистоти електронно-вакуумної гігієни та технології, технологічних середовищ і реактивів, а це, відповідно, потребує змін конструкції виробничого обладнання. Необхідно також врахувати той факт, що контроль параметрів мікроелектронних пристроїв складає близько 50% технологічного циклу.

Отже, розроблення нових організаційно-технічних рішень у моделюванні та прогнозуванні характеристик елементів та структур інтегральних схем, а також автоматизованих методів і засобів ідентифікації та діагностики їх дефектності, призначених для проведення експрес-аналізу технологічного браку з метою забезпечення технологічності мікроелектронних пристроїв в умовах автоматизованого виробництва, - актуальна задача, що потребує свого вирішення.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертаційної роботи пов'язана з наступними науково-технічними роботами, що виконувались в Державному університеті “Львівська політехніка” за пріоритетними напрямками:

держбюджетними темами, що виконувались згідно з координаційними планами НДР за фаховим напрямком “Радіотехніка та електроніка” державної програми “Перспективні інформаційні технології, прилади комплексної автоматизації, системи зв'язку” Міністерства освіти України;

“Розробка методики та засобів забезпечення технологічної відтворюваності характеристик ІС”; науково-дослідна робота ДБ/61.МТС.94, 1994-1995, № 0194U029628;

“Розробка автоматизованих методів діагностики відмов та прогнозування характеристик мікроелектронних РЕЗ на стадіях проектування та виробництва”, науково-дослідна робота ДБ/61.ТЕСТ, 1996-1997 рр., № 0196U000177;

“Забезпечення експлуатаційних характеристик мікроелектронних РЕЗ в умовах автоматизованого виробництва”, науково-дослідна робота ДБ/61.ВАП, 1998-1999 рр., № 0198U002390,

а також ряду науково-дослідних робіт, що виконувались згідно договорів про науково-технічне співробітництво між Державним університетом “Львівська політехніка” та підприємствами м.Львова.

Мета і задачі досліджень. Метою роботи є розроблення методики синтезу конструктивно-технологічного варіанту мікроелектронних пристроїв шляхом врахування дефектності та критичного об'єму їх елементів для забезпечення гарантованого виходу придатних. Для досягнення цього необхідно вирішити наступні задачі:

провести аналіз існуючих методів і засобів забезпечення технологічності напівпровідникових елементів та структур МЕП;

розробити комплексний підхід до фізико-технологічного моделювання МЕП на МОН-структурах, який дозволить розглядати процеси створення напівпровідникових структур, формування їх електрофізичних та технологічних характеристик;

вдосконалити існуючі та розробити нові методи і засоби діагностики дефектності елементів та структур МЕП для оперативного проведення експрес-аналізу рівня якості, визначення області допустимих механічних навантажень та виявлення “вузьких місць” в конструкції;

розробити методику забезпечення технологічності МЕП на МОН-структурах з врахуванням дефектності та прогнозування їх виходу придатних.

Методи досліджень. При виконанні поставлених задач використовувалися методи та основні положення фізики напівпровідникових пристроїв, методи теорії ймовірності, діакоптики, математичного та машинного моделювання, апарат математичної фізики та обчислювальної математики, експериментальні методи дослідження.

Наукова новизна отриманих результатів:

запропоновано комплексний підхід до фізико-технологічного моделювання МЕП, який, на відміну від існуючих, полягає в декомпозиції напівпровідникової структури на сукупність “квазінезалежних” областей, синтезі на їх базі моделей елементів та пристроїв в цілому. Розрахунок електрофізичних характеристик польових МОН-транзисторів з самосуміщеним заслоном та порівняння результатів з експериментом підтвердило адекватність розроблених моделей та достовірність запропонованого підходу;

розроблено систему критичних параметрів дефектності мікроструктур, яка дозволяє аналізувати різні конструктивно-технологічні варіанти МЕП та прогнозувати вихід придатних;

розроблено модель прогнозування виходу придатних кристалів, в основу якої покладено розподіл дефектів по пластині, яка відрізняється від існуючих врахуванням ефектів кластеризації дефектів та критичного об'єму елементів ІС;

розроблено автоматизований метод ідентифікації дефектності базових технологічних шарів ІС, який полягає у комплексному використанні оптичного та тестового контролю планаризованої поверхні;

розроблено методику забезпечення технологічності МОН-структур мікроелектронних пристроїв шляхом врахування дефектності базових технологічних шарів при виборі на етапі автоматизованого проектування конструктивно-технологічного варіанту, який гарантує необхідний процент виходу придатних.

Практичне значення отриманих результатів:

запропонований підхід до побудови моделей МОН-структур дозволяє підвищити ефективність конструкторсько-технологічного проектування інтегральних схем за рахунок спрощення процедури синтезу конструктивної структури МЕП, внаслідок приведення її відповідно до послідовного, паралельного або послідовно-паралельного з'єднання компонентів структурної схеми;

розроблено пристрій контролю дефектності базових технологічних шарів мікроелектронних пристроїв, що дозволяє оперативно проводити діагностування дефектності базових технологічних структур, при побудові якого використано оригінальну конструкцію світловода. Технічні рішення, що використані при розробці, захищені патентом України на винахід;

розроблена оригінальна тестова структура моніторингу дефектності базових шарів МОН-структур та оцінки механічних характеристик кристалів ІС, яка дає можливість в 2-4 рази підвищити точність розрахунку, розширити функціональні можливості тестового контролю, зменшити витрати на його проведення;

запропоновано тестову структуру контролю стабільності контактів “метал-напівпровідник”, яка дозволяє оперативно діагностувати якість виготовлення таких контактів та оцінювати час напрацювання до відмови;

використання запропонованої методики забезпечення технологічності МОН-структур при розробці конструктивно-технологічного варіанта вузлів комутації систем діагностування функціонального стану апаратури дозволило підвищити технологічність конструкції, забезпечити економічну доцільність та ефективність їх виробництва.

Реалізація результатів роботи. Розроблені в дисертації методики і рекомендації впроваджені в наступних організаціях:

Львівському науково-дослідному радіотехнічному інституті при виконанні НДДКР “Затвор-1”, “Затвор-2”, “Затвор-3”, “Ігла-1”, “Ігла-2”;

ВАТ “Родон” (м.Івано-Франківськ) при обгрунтуванні вимог на розробку конструктивно-технологічного варіанта виготовлення МОН-транзисторів;

Державному університеті "Львівська політехніка" в навчальний процес при проведенні занять зі студентами базового напрямку “Електронні апарати” з дисциплін “Моделювання та управління в радіотехнології”, “Конструкторсько-технологічне проектування мікроелектронних пристроїв” та “Технологічні процеси в мікроелектроніці”.

Особистий внесок автора в отриманих наукових результатах полягає в тому, що всі наукові положення, які становлять суть дисертації, були сформульовані та вирішені ним самостійно. У публікаціях, які написані у співавторстві здобувачу належить: [1,7,20] _ принцип роботи автоматизованого пристрою ідентифікації дефектності поверхні напівпровідникових структур; [2] - вибір та обгрунтування конструкції тестової структури моніторингу дефектності; [3,8,14] - обгрунтування вибору та моделювання електропровідності епітаксійних структур; [4,11] - розробка алгоритму моделювання поверхневого потенціалу епітаксійних структур; [5,13] - алгоритм побудови автома-тизованих систем моделювання та управління технологічними процесами отримання напівпровідникових структур; [6,16,17] - алгоритм розрахунку деградаційних процесів в міжелементних з'єднаннях інтегральних схем; [9,10,15] - розробка алгоритму розрахунку концентраційного профілю неоднорідних напівпровідникових структур мікроелектронних пристроїв; [12] - структурний синтез моделі газофазного осадження епітаксійних шарів; [18,19] -алгоритм моделювання характеристик напівпровідникових структур.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідались і обговорювались на: First International Conference on Epitaxial Crystal Growth, April 1-7, 1990, Budapest; науково-технічному семінарі “Моделирование и контроль качества в задачах обеспечения надежности радиоэлектронных устройств”, Шауляй, 1992; науково-технічній конференції “Машинное моделирование и обеспечение надежности электронных устройств”, Бердянск, 6-10 сентября, 1993; науково-технічних конференціях “Досвід розробки і застосування приладо-технологічних САПР в мікроелектроніці”, Львів, 1993 - 1996 рр.; Ukrainian- French Symposium “Condensed Matter: Scienсe and Industry”, Lviv, February 20-27, 1993; International Conference “Modelling and investigation of system stability”, Kiev, Мay 19-23, 1997; 2-nd International Symposium on Microelectronics Technologies and Microsystems, Lviv, June 15-17, 1998; International Conference “Functionally Graded Materials FGM_98”, Dresden, October, 1998; Міжнародній науково-технічній конференції “Проблемы физической и биомедицинской электроники”, Київ, травень, 1999.

Публікації. Основні результати дисертації опубліковано в 20 наукових працях, з них 6 - у фахових виданнях України. Отримано патент України на винахід “Спосіб вимірювання малих переміщень”.

Структура та обсяг дисертації. Робота складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку літератури та додатку. Загальний обсяг дисертаційної роботи 4.9 авторських аркуша (189 сторінок тексту), містить 133 сторінки основної текстової частини і включає 49 рисунків (29 рисунків повністю займають площу 10 стор.), 7 таблиць (2 таблиці - повністю займають площу 2 стор.) та 156 бібліографічних найменувань на 15 стор., а також 1 додаток на 12 стор.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі викладено загальну характеристику роботи, сформульовано мету та основні завдання досліджень, обгрунтовано актуальність проблеми, наукову новизну роботи, наведено відомості про апробацію роботи.

У першому розділі проведено аналіз проблеми забезпечення технологічності МОН-структур мікроелектронних пристроїв. Показано, що оцінка технологічності на основі окремих часткових критеріїв в ряді випадків є односторонньою і не дозволяє врахувати дії цілого ряду важливих факторів. Багато критеріїв є складними, вимагають при їх визначенні знання конкретного значення параметрів, великого обсягу обчислювальних, а в ряді випадків і дослідницьких робіт. Цей недолік особливо проявляється при порівнянні великої кількості варіантів складних пристроїв з метою визначення оптимального варіанту. В ряді критеріїв використовуються вагові коефіцієнти, які невідомі, а методика їх визначення не розроблена.

Показано, що забезпечення технологічності мікроелектронних пристроїв можливе при розробці конструктивно-технологічного варіанту з врахуванням дефектності базових технологічних шарів. Запропоновано комплексний підхід, який дозволить з єдиних позицій розглядати процеси формування напівпровідникових структур, забезпечення їх електрофізичних і технологічних характеристик та передбачає одночасний розгляд проблемних питань, пов'язаних як з проектуванням КТВ МЕП, так і з забезпеченням в умовах автоматизованого виробництва ефективності його виготовлення.

Обгрунтовано необхідність розробки комплексних моделей мікроелектронних пристроїв, які зв'язують технологію їх виготовлення та електрофізичні характеристики з врахуванням дефектності елементів та компонентів інтегральних схем на основі аналізу фізичних процесів, що протікають в МОН-структурах.

Проаналізовано існуючі підходи до моделювання виходу придатних структур інтегральних схем та обгрунтовано необхідність розробки уточнених моделей прогнозування ВП ІС з врахуванням як двовимірних, так і обємних дефектів та їх кластеризації на пластині. Показано, що проблема діагностики дефектності структур мікроелектронних пристроїв надзвичайно актуальна на сучасному етапі, оскільки значне зменшення розмірів елементів ІС з одночасним збільшенням площі кристала збільшує ймовірність появи на кристалі дефектів та забруднень, розміри яких близькі до розмірів елементів ІС.

Згідно вищенаведеного сформульовано основні задачі дослідження.

Другий розділ присвячено питанням фізико-технологічного моделювання МОН-структур мікроелектронних пристроїв. Обгрунтувано вибір електропровідності в якості найбільш інформативної характеристики та розроблено комплексний підхід до фізико-технологічного моделювання структур мікроелектронних пристроїв, який, на відміну від існуючих, полягає в пошаровому аналізі конструкції ІС, створенні моделей окремих областей та елементів в цілому. Згідно такого підходу, області мікроелектронних пристроїв, а також технологічні процеси їх отримання розглядаються як дискретні об'єкти з відповідними граничними умовами, зовнішніми впливами та ін., а електрофізичні процеси, що протікають в них, - як неперервні з відповідними інтегральними характеристиками. Такий підхід означає декомпозицію напівпровідникової структури на максимально допустиму глибину (наприклад, області з розмірами, що обумовлені технологічними обмеженнями) з наступним укрупненням за рахунок ”злиття” суміжних областей з ідентичними властивостями та граничними умовами. Переваги полягають у тому, що:

спрощується аналіз напівпровідникової структури, оскільки модель кожного елементу розбиття (“квазінезалежної” області) простіша вихідної і містить меншу кількість входів та виходів;

кожен з елементів розбиття моделюється електричною провідністю; він є компонентом структурної схеми, яка по суті є формалізацією конструктивної структури мікроелектронного пристрою;

моделі схемних елементів напівпровідникової структури доволі просто синтезувати шляхом відповідно послідовного, паралельного або послідовно-паралельного з'єднання елементів розбиття.

МОН-транзистор в напрямку витік-канал-стік може бути трансформований в еквівалентну схему зображену на рис.1. На цій схемі зв'язки між металічною М та n+-областю і між n+ та інвертованою областю каналу n* замінено відповідними перехідними областями TLM, TL+, котрі в рамках загальної моделі описуються за допомогою провідності.

Рис.1. Еквівалентна схема МОН-транзистора в напрямку витік-канал-стік.

Сумарна провідність такої структури

. (1)

Аналіз виразу (1) показує, що провідність МОН-транзистора визначається в першу чергу провідностями каналу , сильнолегованих областей витоку та стоку з врахуванням провідностей перехідних областей витоку та стоку (). Дефектність цих областей (похибки топології, дефекти структури та ін.) може бути врахована зростанням чи зменшенням провідності відповідної області.

На основі аналізу фізико-хімічних процесів, що протікають при створенні епітаксійних структур методом хімічних транспортних реакцій та врахування впливу технологічних режимів, розроблено фізико-технологічну модель газофазної епітаксії кремнію в залежності від концентрації осаджуваного компонента біля підкладки та розподілу температури по підкладці. Проведено порівняння теоретично розрахованих та експериментально досліджених залежностей товщини плівки Si, отриманої піролізом силану, від часу при різних температурах осадження. Результати показують, що відхилення експериментальних та розрахованих значень не перевищують 18%.

Розраховано електрофізичні характеристики епітаксійної структури, а також проведено аналітичні та експериментальні дослідження параметрів польових МОН-транзисторів із самосуміщеним заслоном. Експериментальні дослідження, що проводились на тестових МОН-транзисторах інтегральної мікросхеми КР1810ВГЗ показали, що результати моделювання провідності GDS в залежності від величини напруги витік-стік VDS узгоджуються з експериментальними даними з похибкою 12-17%, причому найбільше відхилення спостерігається при переході від лінійного режиму роботи транзистора до режиму насичення, що можна пояснити зміною рухливості носіїв заряду при зміні ефективного поля в напівпровіднику. Підтвердженням цього є те, що при збільшенні напруги заслону VG від 2 В до 5 В розбіжність між теоретичними та експериментальними даними зростає.

Проведено термодинамічний аналіз процесу виникнення та релаксації напруженого стану в перехідних областях структури “плівка-підкладка”, на основі чого розроблено модель розрахунку напружень в епітаксійних шарах, що використовуються при виготовленні МЕП.

За допомогою запропонованого підходу показано можливість оцінки дефектності структур мікроелектронних пристроїв за рахунок врахування при моделюванні зміни провідності областей, в яких знаходяться дефекти.

Третій розділ присвячено розгляду питань оцінки дефектності та прогнозування виходу придатних мікроелектронних пристроїв.

Обгрунтовано необхідність врахування як “одношарових” ефектів в структурі зумовлених дефектністю (таких як закорочення або розриви), так і “багатошарових”, що виникають за рахунок “взаємодії” між об'ємними дефектами та сусідніми шарами. Показано, що основний вплив обємних дефектів на відмови ІС виникає за рахунок “акумулювання” дефектів від нижнього шару до верхнього в багатошаровій структурі. Отримано аналітичні вирази для розрахунку критичного об'єму конструкції інтегральної схеми, чутливого до пошкоджень за рахунок об'ємних дефектів, що спричиняють відмови типу розрив або коротке замикання. Розроблено уточнену модель прогнозування виходу придатних (ВП) кристалів Y, з врахуванням як ефектів кластеризації, так і дво- та тривимірних дефектів для кожного шару

(2)

де h-товщина відповідного шару; Vкр - критичний об'єм ІС; Cf - коефіцієнт кластеризації; _ ймовірність катастрофічності дефектів; - густина дефектів; (2), (3) - індекси, які позначають типи дефектів; j - номер шару, в якому оцінюється ВП; і - шар з тривимірними дефектами.

Розглянуто питання прогнозування стабільності характеристик мікроелектронних пристроїв та аспекти, пов'язані із проблемою забезпечення коректності відбракування дефектних виробів.

Четвертий розділ присвячено розробленню методики забезпечення технологічності мікроелектронних пристроїв та засобів контролю дефектності структур і стабільності їх елементів.

Розроблено методику забезпечення технологічності мікроелектронних пристроїв на основі МОН-структур. На рис. 2 зображено блок-схему процедури оцінки конструктивно-технологічного варіанту виробу з точки зору отримання гарантованого виходу придатних, що базується на використанні підходів та методів, розроблених в розділах 2 та 3 дисертаційної роботи.

Принцип функціонування полягає в наступному. Вхідною є інформація про конструктивні параметри ІС та її елементів, включаючи допуски на вхідні функціональні параметри, а також інформація про дефектність окремих операцій технологічного процесу, на яких відбувається формування фізичної структури ІС. Джерелами вхідної інформації можуть бути автоматизовані системи проектування топологічного рисунку та статистичного контролю (регулювання) технологічного процесу. Вихідною є інформація про технологічність ІС (або її елементів). Кількісною мірою оцінки технологічності приймаємо ймовірність придатності схеми PCH = PН PД, тобто врахування ймовірностей відповідності вихідного параметра заданим нормам PН та отримання ІС без пошкодження випадковими дефектами PД. В якості критерія для оцінки технологічності КТВ на етапі аналізу технічного завдання встановлюється мінімально допустиме значення Ркр, яке буде визначати економічну доцільність виробництва. При цьому технологічною можна вважати ІС, для якої РCH>Ркр. Такий підхід дозволяє проводити аналіз конструктивно-технологічного варіанта одночасно за складовими точності і дефектності з використанням системи критичних параметрів (Ркр, Vкр, критичні розміри та густина розподілу дефектів, що можуть спричинити катастрофічну відмову).

Прийняття рішення про корекцію КТВ вимагає дослідження складових технологічності та порівняння їх між собою. Якщо РД<<РН, необхідно приймати рішення про коригування топологічного рисунку схеми в бік зменшення критичної площі елементів або підвищувати технологічну чистоту виробництва, в протилежному випадку (РН<<РД) - підвищувати точність операцій технологічного процесу або навіть змінювати конструктивно-технологічний варіант виробу (використовувати інші операції для забезпечення необхідних параметрів). При однаковості або близькості величин складових РД та РН (тобто РД ~ РН) рішення необхідно приймати з врахуванням як затрат на проведення корекції КТВ, так і вимог ТЗ на розробку

Рис.2. Блок-схема процедури оцінки технологічності КТВ МЕП

З метою отримання повної картини про характер і природу катастрофічних дефектів розроблено автоматизований метод ідентифікації дефектності базових технологічних шарів ІС, який полягає у комплексному використанні оптичного та тестового контролю планаризованої поверхні.

Запропоновано пристрій оптичного контролю дефектності базових шарів ІС, який забезпечує контроль якості поверхні тіл довільної форми, наприклад, круглих напівпровідникових пластин, що використовуються при виготовленні інтегральних схем, що дозволяє оперативно проводити попередній експрес-аналіз рівня якості настроювання основних технологічних операцій. Так, при частоті обертання поворотного столика 600 об/хв та діаметрі світлового пучка 5 мкм необхідний час сканування пластини діаметром 100 см складає приблизно 16-17 хв, а при діаметрі пучка 10 мкм - 8 хв. З врахуванням того, що пристрій дозволяє попередньо сканувати пластину широким пучком для визначення дефектних участків, які надалі скануються точковим пучком, реальний час сканування буде значно меншим і частково залежатиме від степені дефектності пластини. Проведено порівняльні експериментальні дослідження, які підтвердили високу точність та ефективність даного підходу. Проведено експериментальні дослідження та розраховано функції розподілу розмірів дефектів і параметри критичної дефектності, що дозволяє оцінювати ВП ІС з похибкою 7-10 %.

Розроблено оригінальну конструкцію тестової структури (ТС) для контролю виходу придатних як за рахунок похибок технологічного процесу, так і за рахунок стохастичних збурень, що зумовлені сторонніми частинками. При розробці враховано те, що недоліками відомих ТС є їх “вузька спеціалізація”, тобто вони дають можливість вимірювання тільки одного чи декількох типів дефектів, а також недостатня точність, оскільки потрапляння декількох дефектів у поле тестової структури сприймається при контролі як один.

Структура зображена на рис. 3 складається з набору меандро- та гребенеподібних смужкових ліній та включає суперпозицію металічних, дифузійних та оксидних структур. До смужкових ліній може бути підключено набір МОН-транзисторів, виготовлених в технологічному циклі, що дозволить контролювати також і параметричні дефекти структур ІС. Запропонована ТС дає також можливість оцінити величину інтегральних механічних напружень в структурі напівпровідникового кристалу під час виконання технологічних операцій збирання та герметизації за рахунок того, що конструктивно ТС складається з чотирьох ідентичних секцій, які можуть вмикатися у мостову схему. Для додаткової оцінки величини та напряму деформацій, що виникають у структурі можуть бути використані дві діагональні лінії розміщені під кутом 45 до основних ліній (меандрів).

Рис.3. Тестова структура діагностування дефектності

Запропоновано тестову структуру контролю стабільності контактів “метал-напівпровідник”, яка дозволяє оперативно діагностувати якість виготовлення таких контактів та оцінювати час напрацювання до відмови з використанням прискорених випробувань. Проведені розрахунки показують, що для забезпечення критичної густини струму через контакт величиною Jкр=10 мА/мкм2 (106 А/см2) при відношенні площ контактів S1/S2=10 необхідно виготовляти його з мінімальними технологічними обмеженнями (наприклад, для контакта площею S2=4 мкм2 можна отримати густину струму порядку 20 мА/мкм2 при наступних параметрах тестової структури: G=10-2 Ом-1, V=8 В, I=80 мА. Розраховані параметри забезпечать необхідну густину струму через другий контакт ТС і в той же час не призведуть до виходу напівпровідникової структури з ладу за рахунок пробою).

Адекватність методики забезпечення технологічності МОН-структур мікроелектронних пристроїв перевірено при обгрунтуванні вимог на розробку КТВ вузлів комутації систем діагностування функціонального стану апаратури. Було проаналізовано КТВ виготовлення ключових елементів (КЕ) на МОН-транзисторах з подвійною дифузією та вертикальним каналом, розрахованих на пробивну напругу 250 В. Тестовий кристал виготовлявся на одношарових епітаксійних структурах 18 КЕФ 2.5/400 ЕКЕС 0.01 (111). Кількість транзисторів для експериментів складала від 260 до 300 шт. для кожного типу. Досліджувалися електричні параметри: опір у відкритому стані RDS (GDS); пробивна напруга VDS br; порогова напруга VT. Вимірювання проводились згідно стандартних методик, що використовуються на підприємствах електронної промисловості. Результати досліджень показали, що розрахунки провідності проведені згідно розробленої методики співпадають з експериментальними даними. Технічні характеристики ключових елементів для вузлів комутації повністю задовільняли вимогам ТЗ (RDS 10 Ом, YКЕ 25%), що дозволяє забезпечити ефективність їх виготовлення (критичне значення ВП для ключових елементів Yкр=18%).

За результатами аналізу конструктивно-технологічних варіантів вузла комутації для експериментальних зразків була вибрана наступна конструкція:

конструктивно-технологічне виконання вузла - гібридне;

кристал схеми управління розмірами 9.89.8 мм2 розміщується в центрі підкладки;

кристали з драйверами та ключовими транзисторами монтуються на підкладці у вигляді чотирьох матриць 44 методом перевернутого кристала (flip-chip method).

Проведений аналіз топології драйвера КЕ вузла комутації з врахуванням дефектності операцій металізації показав, що відношення об'єму металізації до критичного об'єму складає V/Vкр 0.55, а це в свою чергу призведе до виходу придатних на рівні Y18_20%. Тому було проведено модифікацію топології з метою зниження величини V/Vкр, що дозволило отримати відношення V/Vкр0.4. Теоретичні розрахунки виходу придатних при вказаних значеннях та Yкр=25% дають Y20% (до модифікації) та Y30% (після модифікації), що цілком узгоджується з експериментальними даними. Похибка проведених розрахунків складає 7-10 відсотків, що свідчить про адекватність розробленої методики.

мікроелектронний напівпровідниковий елемент технологічність

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ВИСНОВКИ

Запропоновано комплексний підхід до фізико-технологічного моделювання МЕП, який, на відміну від існуючих, полягає в декомпозиції напівпровідникової структури на сукупність “квазінезалежних” областей, синтезі на їх базі моделей елементів та пристроїв в цілому. Це дозволяє підвищити ефективність конструкторсько-технологічного проектування інтегральних схем за рахунок використання в якості компонентів структурної схеми конструкції областей елементів ІС, формалізації взаємозв'язків між ними та спрощення процедури синтезу конструктивного варіанту внаслідок приведення її, відповідно, до послідовного, паралельного або послідовно-паралельного з'єднання компонентів. Проведено розрахунок електрофізичних характеристик польових МОН-транзисторів з самосуміщеним заслоном та порівняння результатів розрахунку з експериментом, яке підтвердило адекватність розроблених моделей та достовірність запропонованого підходу.

Розроблено методику синтезу конструктивно-технологічного варіанту мікроелектронних пристроїв шляхом врахування дефектності та критичного об'єму їх елементів для забезпечення гарантованого виходу придатних в умовах автоматизованого виробництва.

Розроблено систему критичних параметрів дефектності мікроструктур, що дозволяє аналізувати різні конструктивно-технологічні варіанти МЕП.

Розроблено модель прогнозування виходу придатних кристалів, в основу якої покладено розподіл дефектів по пластині з врахуванням ефектів кластеризації та критичного об'єму ІС. Проведено експериментальні дослідження напівпровідникових пластин та розраховано функції розподілу розмірів дефектів і параметри критичної дефектності, що дозволяє оцінювати ВП ІС з похибкою 7-10 %.

Розроблено автоматизований метод ідентифікації дефектності базових технологічних шарів ІС, засоби оптичного та тестового контролю планаризованої поверхні, комплексне використання яких дозволяє поопераційно контролювати рівень та визначати критичні параметри дефектності структур. Результати експериментальних досліджень дефектності напівпровідникових пластин підтвердили високу точність та ефективність методу. Запропонований пристрій оптичного контролю дефектності напівпровідникових пластин дозволяє оперативно проводити попередній експресс-аналіз рівня якості настроювання технологічних операцій. Тестова структура для моніторингу дефектності дає можливість розширити функціональні можливості тестового контролю, зменшити витрати на його проведення, аналізувати механічні характеристики кристалів.

Запропоновано тестову структуру контролю стабільності контактів “метал-напівпровідник”, яка дозволяє оперативно діагностувати якість виготовлення таких контактів та оцінювати час напрацювання до відмови.

Використання розробленої методики при проектуванні КТВ вузлів комутації систем діагностування функціонального стану апаратури дозволило підвищити технологічність конструкції, забезпечити економічну доцільність та ефективність виробництва за рахунок підвищення виходу придатних кристалів на 8-15 відсотків.

ПУБЛІКАЦІЇ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ

Корж Р., Данчишин І., Данчишин Ір. Автоматизований метод ідентифікації дефектів структур мікроелектронних РЕЗ // Электроника и связь.- Киев, 1998.- №4.- Т.1.- С.84-87.

Корж Р.О., Данчишин І.В., Заставний Є.Л. Методика оцінки дефектності структур мікроелектронних РЕЗ // Электроника и связь.-Киев, 1999. №6.-Т.2.-С.81_85.

Павлиш В., Дронюк М., Данчишин І. Моделювання електропровідності епітаксійних плівок і структур // Вісник ЛПІ “Теорія і проектування напівпровідникових та радіоелектронних пристроїв”.- Львів, 1992.- №264.- С.42-45.

Павлиш В., Дронюк М., Данчишин І. Розподіл потенціалу в приповерхневій області неоднорідних епітаксійних структур // Вісник ЛПІ “Теорія і проектування напівпровідникових та радіоелектронних пристроїв”.- Львів, 1993.- №272.- С. 59-62.

Данчишин І., Гранат П., Романюк А., Райвич М. Методика розробки і побудови системи фізико-топологічного моделювання елементів інтегральних схем // Вісник Державного університету “Львівська політехніка” “Теорія і проектування напівпровідникових та радіоелектронних пристроїв”.- Львів, 1995.- №289.- С.29-32.

Данчишин І., Дронюк М., Закалик Л. Моделювання деградаційних процесів у контактних з'єднаннях інтегральних мікросхем // Вісник Державного університету “Львівська політехніка” “Теорія і проектування напівпровідникових та радіоелектронних пристроїв”.- Львів, 1996.- №302.- С.51-53.

Пат. 25521А Україна, МПК G 01 B 11/02, 11/26. Спосіб вимірювання малих переміщень / Імшенецький В.В., Данчишин І.В, Павлиш В.А., Костюк І.В., Воблий О.М. // Промислова власність.- Київ, 1998.- №6.- Ч.2.-С.3.1.265.

Voronin V., Pavlysh V., Dronyuk M., Danchyshyn I. Modelling of Epitaxial Films and Structures, Growing of Gas Phase // 1st International Conference on Epitaxial Crystal Growth.- Budapest (Hungary).- 1990.- Р.351-353.

Павлыш В., Дронюк М., Данчишин И. Алгоритм расчета электрофизических свойств неоднородных эпитаксиальных структур // Тезисы докладов школы-семинара “Опыт разработки и применения приборно-технологических САПР”.- Львов.- 1991.- С.88.

Павлыш В., Дронюк М., Данчишин И. Моделирование электрофизических свойств и стабильности неоднородных эпитаксиальных структур // Тезисы докладов научно-технической конференции “Физические основы надежности и деградации полупроводниковых приборов и интегральных схем”.- Нижний Новгород - Астрахань.- 1992.- С.120.

Павлыш В., Дронюк М., Данчишин И. Моделирование поверхностного потенциала эпитаксиальных структур // Материалы международного научно-технического семинара “Моделирование и контроль качества в задачах обеспечения надежности радиоэлектронных устройств”.- Шауляй.- 1992.- С.13.

Павлиш В., Дронюк М., Данчишин І. Розробка моделі газофазного осадження епітаксійних структур // Тези доповідей науково-технічної конференції “Досвід розробки і застосування приладо-технологічних САПР в мікроелектроніці”.- Львів.- 1993.- С.24.

Павлиш В., Дронюк М., Данчишин І. АСУ ТП “Мікроструктура” // Тези доповідей науково-технічної конференції “Досвід розробки і застосування приладо-технологічних САПР в мікроелектроніці”.- Львів.- 1993.- С.67.

Pavlysh V., Dronyuk M., Korzh R., Danchyshyn I. Integral Circuit Film Layers Characteristics Modelling // Abstracts, Information & Participants, Ukrainian- French Symposium “Condensed Matter: Scienсe and Industry”.- Lviv.- 1993.- Р.56.

Павлыш В., Закалык Л., Дронюк М., Данчишин И. Моделирование стабильности активных элементов ИС // Тезисы докладов научно-технической конференции “Машинное моделирование и обеспечение надежности электронных устройств”.- Бердянск.- 1993.- С.125.

Закалик Л., Дронюк М., Данчишин І. Моделювання електроміграційних і дифузійних процесів в міжелементних з'єднаннях ІС // Матеріали науково-технічної конференції “Сучасні проблеми автоматизованої розробки і виробництва радіоелектронних засобів та підготовки інженерних кадрів”.- Львів.- 1994.- Ч.1.- С.127-129.

Данчишин І., Дронюк М., Закалик Л. Моделювання процесів старіння в контактних з'єднаннях інтегральних мікросхем // Тези доповідей науково-технічної конференції “Досвід розробки та застосування приладо-технологічних САПР мікроелектроніки”.- Львів.- 1995.- Ч.2.-С.126.

Закалик Л., Дронюк М., Данчишин І. Двовимірне моделювання фізичних процесів у багатошарових структурах // Матеріали міжнародної науково-технічної конференції “Сучасні проблеми автоматизованої розробки і виробництва радіоелектронних засобів, застосування засобів зв'язку та підготовки інженерних кадрів”.- Львів.- 1996.- Ч.1.- С.131.

Павлиш В., Закалик Л., Дронюк М., Данчишин І. 3-D моделювання напівпровідникових структур ІС // Thesis of conference reports “Modelling and investigation of systems stability”.- Kiev.- 1997.- Р.97.

Danchyshyn I., Korzh R., Dronyuk M., Zakalyk L. Automation Technique For Identification Of Integrated Circuits Thin-Film Structures Defects // 2-nd International Symposium on Microelectronics Technologies and Microsystems, Abstracts.- Lviv.- 1998.- P.26.

АНОТАЦІЯ

Данчишин І.В. Розробка методів та засобів забезпечення технологічності МОН-структур мікроелектронних пристроїв в умовах автоматизованого виробництва.- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.27.01 - Твердотільна електроніка.- Чернівецький державний університет ім.Ю.Федьковича, Чернівці, 2000.

Дисертація присвячена питанням забезпечення технологічності мікроелектронних пристроїв на МОН-структурах. В дисертації розроблено комплексний підхід до фізико-технологічного моделювання пристроїв який грунтується на декомпозиції конструкції на сукупність областей, синтезі на їх основі моделей елементів та пристроїв в цілому.

Це дозволяє підвищити ефективність проектування за рахунок використання в якості структурних складових моделювання областей елементів, формалізації взаємозв'язків між ними та спрощення процедури синтезу конструктивної структури МЕП, внаслідок приведення її відповідно до послідовного, паралельного або послідовно-паралельного з'єднання компонентів структурної схеми.

Проведено теоретичні та експериментальні дослідження, які підтвердили адекватність запропонованого підходу.

Розроблено методику забезпечення технологічності МОН-структур мікроелектронних пристроїв шляхом врахування дефектності базових технологічних шарів при виборі на етапі автоматизованого проектування конструктивно-технологічного варіанту, який гарантує необхідний процент виходу придатних.

Ключові слова: МОН-структура, технологічність, модель, мікроелектронний пристрій, тестова структура, вихід придатних.

Данчишин И.В. Разработка методов и средств обеспечения технологичности МОП-структур микроэлектронных устройств в условиях автоматизированного производства. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.27.01 - Твердотельная электроника. - Черновицкий государственный университет им.Ю.Федьковича, Черновцы, 2000.

В диссертационной работе на основании теоретических и экспериментальных исследований предложен комплексный подход к решению проблемы обеспечения технологичности микроэлектронных устройств на МОП-структурах. Предложенный подход позволяет повысить эффективность конструкторско-технологического проектирования за счет использования в качестве структурных составляющих моделирования областей элементов интегральных схем и формализации взаимосвязей между ними, а также упрощения процедуры синтеза конструктивной структуры микроэлектронных РЭС вследствии приведения её к последовательному, параллельному или последовательно-параллельному соединению компонентов структурной схемы.

Разработана модель прогнозирования выхода годных кристаллов с учетом эффектов кластеризации дефектов на пластине и критического объема интегральной схемы. Получены аналитические выражения для расчета критических объемов конструкции для случаев разрывов и коротких замыканий.

Разработан метод идентификации дефектности базовых технологических структур ИС на основе комплексного использования оптического и тестового контроля планаризированной поверхности. Предложены оригинальные тестовые структуры позволяющие повысить точность и расширить функциональные возможности тестового контроля, а также уменьшить затраты на его проведение.

Разработана методика обеспечения технологичности МОП-структур микроэлектронных устройств путем учета дефектности базовых технологических слоев при выборе на этапе автоматизированного проектирования конструктивно-технологического варианта изделия, гарантирующего необходимый процент выхода годных. Адекватность предложенной методики проверялась при обосновании требований на разработку узлов коммутации систем диагностирования функционального состояния аппаратуры. Проведенные экспериментальные исследования ключевых элементов на МОП-транзисторах, а также анализ конструктивно-технологического варианта изготовления драйвера узла коммутации с последующей модификацией показали, что использование методики позволяет получить требуемые технические характеристики и повысить выход годных, обеспечивая тем самым эффективность и целесообразность их производства.

Ключевые слова: МОП-структура, технологичность, модель, микроэлектронное устройство, тестовая структура, выход годных.

Danchyshyn I.V. Development of the methods and means of microelectronic device's MOS-structures manufacturability assurance in conditions of automated production.- Manuscript.

Thesis for Candidate's Degree on Technical Sciences by speciality 05.27.01 - Solid-state electronics. - Chernivtsi State University named Yu.Fed'kovych, Chernivtsi 2000.

Dissertation is devoted to question of manufacturability assurance of microelectronic devices on MOS-structures. In dissertation developed complex approach to physical-technological devices modeling which is based on splitting of construction on domains aggregate, synthesis on their base models of elements and devices as whole. This allows to raise projection effectiveness for counting of use of structural elements domains as modeling constituents, intercommunications description between them and synthesis procedure simplifications of constructive microelectronic devices structure, by reason of bringing of it accordingly about successive, parallel or successively-parallel connection of components. The theoretical and experimental researches which prooved the adequacy of proposed approach was carried out.

The microelectronic devices on MOS-structures manufacturability assurance technique by dint of taking account of base technological IC layers defectivity during constructively-technological variant choosing at stage of automated projection, which guarantees a necessary yield was developed.

Keywords: MOS-structure, manufacturability, model, microelectronic device, test-structure, yield.

Размещено на Allbest.ur

...