eng
Выпуск #9/2018
Глушко Андрей Александрович, Яшин Георгий Алексеевич, Новоселов Антон Сергеевич, Амирханов Алексей Владимирович, Зинченко Людмила Анатольевна, Макарчук Владимир Васильевич, Сергеева Наталья Алексеевна
Применение визуальной аналитики и систем приборно- технологического моделирования при управлении качеством технологических процессов формирования кристаллов СБИС
Применение визуальной аналитики и систем приборно- технологического моделирования при управлении качеством технологических процессов формирования кристаллов СБИС
Просмотры: 3080
методика применения средств визуальной аналитики для управления качеством технологических процессов формирования кристаллов СБИС. Рассмотрено применение предложенной методики управления качеством на примерах обнаружения неисправности имплантера и проектирования тестовой структуры контроля сопротивления LDD-областей.
УДК 004.942
DOI: 10.22184/1993-8578.2018.82.376.384
УДК 004.942
DOI: 10.22184/1993-8578.2018.82.376.384
Теги: quality management tcad simulation visual analytics vlsi визуальная аналитика приборно-технологическое моделирование сбис управление качеством
ВВЕДЕНИЕ
Проблема управления качеством производства СБИС с субмикронными размерами элементов в настоящее время является одной из наиболее актуальных и важных проблем производства, решение которой представляет собой весьма сложную задачу. Дело в том, что технологический процесс производства СБИС насчитывает несколько сотен отдельных технологических операций, при этом каждая операция в той или иной степени влияет на выходные параметры изготавливаемой СБИС. Поэтому необходим контроль отклонения параметров технологического процесса, что реализуется обычно при помощи измерения электрофизических параметров специальных тестовых структур. Однако в ряде случаев имеющийся набор тестовых структур не всегда обладает возможностью предоставить полную информацию о параметрах технологического процесса.
В этой ситуации имеющийся инструмент приборно-технологического моделирования может быть эффективно использован не только для прогноза электрофизических параметров элементов СБИС, что используется на этапе проектирования качества, но также позволяет выявить операцию технологического процесса, на которой мог произойти сбой режима изготовления. На основе полученной информации можно провести анализ возможности выполнения технологических воздействий, позволивших бы нейтрализовать последствия сбоя режима технологического оборудования, тем самым повысив качество изготовления кристаллов СБИС.
УПРАВЛЕНИЕ КАЧЕСТВОМ ПРОИЗВОДСТВА КРИСТАЛЛОВ СВЕРХБОЛЬШИХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ
Управление качеством производства кристаллов СБИС может быть упрощенно представлено в виде реализации трех подсистем:
• подсистема обеспечения качества,
• подсистема контроля качества,
• подсистема управления качеством.
Подсистема обеспечения качества может быть упрощенно представлена в виде блок-схемы, приведенной на рис. 1.
Для обеспечения качества СБИС необходимо использование в едином комплексе различных средств проектирования. Так, например, на основе технических требований к выходным параметрам схемы с помощью схемотехнических САПР устанавливаются требования к параметрам отдельных компонентов — транзисторов, резисторов, конденсаторов. Эти параметры по заданному алгоритму экстрагируются из ряда электрических характеристик, зависящих от конструкции компонента и технологии его формирования. Связь между конструкцией, технологией и электрическими характеристиками компонента СБИС устанавливается с помощью системы приборно-технологического моделирования. Предварительно выполняется структурная и параметрическая идентификация (так называемая калибровка) моделей технологических операций для обеспечения заданной точности прогноза параметров качества на основе моделирования. Затем на основе информации о допустимых отклонениях электрических параметров исследуемого компонента, можно с помощью системы приборно-технологического моделирования оценить коэффициенты влияния технологических режимов на параметры качества. На основании полученных результатов определяются допуски на вариации технологических режимов и осуществляется их выбор.
С использованием приборно-технологического моделирования оценить процент выхода годных СБИС можно следующим образом. Сначала с помощью метода статистических испытаний Монте-Карло следует сгенерировать несколько выборок случайных значений параметров технологического процесса, а затем провести приборно-технологическое моделирование при всех сгенерированных случайных значениях режимов технологического процесса. После этого необходимо оценить долю выборок, при которых функциональные параметры СБИС признаются удовлетворительными. Эта доля выборок и будет отражать процент выхода годных. Точность полученной оценки будет тем выше, чем больше случайных выборок будет проанализировано. С другой стороны, при обеспечении качества следует учитывать и временные ограничения, поскольку время приборно-технологического моделирования даже на достаточно мощных компьютерах может достигать нескольких часов.
ПРИБОРНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ КАК ЭЛЕМЕНТ ПОДСИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ КАЧЕСТВОМ
Приборно-технологическое моделирование является не только одним из инструментов обеспечения качества, но также позволяет анализировать результаты эксперимента в случае отклонения технологических режимов обработки партии пластин и оценить величину отклонения режимов. Схематично процесс управления качеством СБИС в этом случае показан на рис. 2.
Процесс локализации технологической операции, на которой произошел сбой, можно описать следующим образом. Сначала на основе приборно-технологического моделирования выявляются взаимосвязи между параметрами качества и технологическими режимами выполнения операций. Эти результаты могут быть оформлены, в частности, в виде причинно-следственной диаграммы Исикавы [1]. На основе результатов измерений и упомянутой диаграммы выдвигается гипотеза о причинах возможных изменений параметров технологического процесса. В ряде случаев гипотезы должны быть такими, чтобы существующая процедура аттестации оборудования не позволяла бы увидеть сбои в его работе (этот прием еще называют диверсионным анализом). Затем с помощью той же системы приборно-технологического моделирования проверяется состоятельность сформулированной гипотезы и делается предложение об усовершенствовании процесса аттестации оборудования или о разработке дополнительных тестовых структур контроля параметров технологического процесса.
В случае отклонения параметров технологического процесса возможно на основе приборно-технологической модели оценить возможность реставрации изготавливаемых пластин, а именно, показать, какую обработку пластин и с какими режимами следует выполнить, для того чтобы обеспечить попадание параметров качества в установленные техническим заданием границы допуска.
Кроме того, инструмент приборно-технологического моделирования позволяет проектировать контрольно-измерительные структуры параметрического монитора. Так, в работе [2] на основе приборно-технологической модели изложены результаты проектирования тестовой структуры контроля уровня легирования LDD-областей.
Ниже будет описано, как такая структура позволила проанализировать годные и забракованные пластины и локализовать причину брака.
КОНТРОЛЬ И УПРАВЛЕНИЕ КАЧЕСТВОМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВАНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ СБИС С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СИСТЕМ ПРИБОРНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ НА ПРИМЕРЕ ОБНАРУЖЕНИЯ НЕИСПРАВНОСТИ ОБОРУДОВАНИЯ ИОННОЙ ИМПЛАНТАЦИИ
Одним из возможных примеров применения систем приборно-технологического моделирования при контроле и управлении качеством изготавливаемых пластин было обнаружение неисправности в работе имплантера. Дело в том, что по результатам пооперационного контроля было установлено, что в одной из партий пластин пороговое напряжение полевого транзистора оказалось существенно завышено по отношению к такому параметру на пластинах других партий. Проведенный анализ возможных причин такого увеличения порогового напряжения позволил выделить следующие возможные факторы:
1. Увеличилась толщина подзатворного окисла,
2. В окисле изменилось соотношение привнесенных в технологическом процессе зарядов,
3. Изменилось легирование карманов или LDD-областей.
Причинно-следственная диаграмма влияния технологических параметров на пороговое напряжение представлена на рис. 3.
Первый фактор был проверен на основе анализа вольт-фарадных характеристик МОП-конденсатора, являющегося одним из тестовых элементов параметрического монитора. Результат проверки оказался отрицательным. То есть толщина подзатворного окисла существенно не изменилась.
Второй фактор был проверен отжигом пластины, в процессе которого все заряды в окисле должны были рекомбинировать и, как следствие, пороговое напряжение полевого транзистора должно было нормализоваться. Однако проведенный отжиг ощутимых результатов также не дал.
Кроме измеренного порогового напряжения основного транзистора, был измерен аналогичный параметр паразитного, «донного» транзистора, величина которого оказалась порядка 20 В, что было существенно меньше рассчитанного в результате приборно-технологического моделирования.
Полученные результаты позволили выдвинуть гипотезу о том, что в кармане полевого транзистора изменилось соотношение между поверхностной и донной концентрациями легирующей примеси.
Для объяснения этой гипотезы было выполнено приборно-технологическое моделирование всего технологического цикла производства СБИС, которое показало, что такое возможно лишь в том случае, если энергия процесса глубокого легирования кармана полевого транзистора методом ионной имплантации уменьшится в 3 раза (что связано с возможной потерей заряда трехзарядными ионами легирующей примеси и их дальнейшим ускорением, но уже до энергии в 3 раза меньшей заданной имплантеру).
Следует отметить, что стандартный процесс аттестации имплантера, основанный на измерениях поверхностного сопротивления соответствующей тестовой структуры параметрического монитора, не показал неисправности в работе установки, поскольку поверхностное сопротивление главным образом зависит не от энергии, а от дозы легирования (см. рис. 4), которая осталась неизменной.
Выдвинутая гипотеза побудила к дальнейшей проверке качества работы имплантера, которая обнаружила наличие повышенного остаточного давления в его рабочей зоне, что указывало на присутствие там атомов газа, от которых по каким-либо причинам не удалось избавиться и наличие которых может приводить к потере части заряда трехзарядными ионами легирующей примеси фосфора.
Для окончательной проверки гипотезы об изменении энергии легирования были подготовлены экспериментальные образцы пластин, легированные трехзарядными ионами фосфора, после чего эти образцы были отправлены на ВИМС-анализ, результаты которого представлены на рис. 5.
Из рисунка видно, что действительно произошло трехкратное уменьшение энергии легирующих ионов. Полученные результаты позволили дополнить процесс аттестации имплантера, включив в него ВИМС-анализ в качестве обязательного элемента аттестации.
АНАЛИЗ ГОДНЫХ И ЗАБРАКОВАННЫХ ИЗДЕЛИЙ С ПОМОЩЬЮ ОПЕРАЦИИ КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ LDD-ОБЛАСТЕЙ
В предыдущем разделе речь шла об операции легирования карманов полевых транзисторов, контроль за выполнением которой осуществлялся с использованием резистивных структур и структур МОП-конденсаторов. Однако на тот момент контроль за созданием LDD-областей, которые формировались легированием однозарядными ионами малой энергии (5–30 кэВ) бора (для p-канальных транзисторов) или фосфора (для n-канальных транзисторов), еще не был введен, поскольку потеря заряда ионами в этой технологической операции считалась маловероятной. Однако, как показали исследования, наличие даже небольшого слоя (порядка 100–200 Å) остаточного резиста или окисла может нарушить функционирование транзисторной структуры [2]. Необходимо подчеркнуть, что контроль дозы легирования при формировании LDD-областей на основе измерения сопротивления тестовых структур параметрического монитора был затруднен в связи с тем, что LDD-области в «чистом виде» не присутствовали в тестовых структурах параметрического монитора: имело место либо их включение последовательно с областью легирования карманов (имеющих большее сопротивление), либо параллельно с сильнолегированной областью истока/стока (имеющей меньшее сопротивление). Поэтому была разработана специальная шестиконтактная структура контроля сопротивления LDD-областей, описание которой приведено в [2]. Следует еще раз отметить, что, как показало приборно-технологическое моделирование, качество легирования LDD-областей чрезвычайно чувствительно к толщинам слоев остаточного резиста и окисла.
Разработанная структура позволила установить причину брака в одной из партий пластин, в которой пороговые напряжения полевых транзисторов оказались примерно в 2 раза выше установленной нормы. При этом структуры контроля степени легирования карманов и сильнолегированных областей не имели существенных отклонений в величине сопротивлений относительно средних значений по партиям. Измеренная толщина подзатворного окисла также не имела отличий от заданной нормы. Существенное отклонение от заданной нормы было выявлено только при измерении величины сопротивления LDD-областей. На рис. 6–7 показаны вольтамперные характеристики резисторов на основе областей n- и p-типа легирования для годных пластин, а на рис. 8–9 — аналогичные характеристики в партии бракованных пластин.
Как видно из приведенных рисунков, резисторы, сформированные из LDD-областей, в бракованной партии пластин имеют качественно другую вольтамперную характеристику по сравнению с аналогичными резисторами из партии годных пластин. Поэтому, в соответствии с причинно-следственной диаграммой, можно локализовать причину двукратного повышения порогового напряжения как сбой при выполнении операции легирования LDD-областей, вызванный либо наличием загрязнений на пластине, либо наличием остаточных слоев окисла/резиста. Следовательно, перед формированием LDD-областей необходимо осуществлять визуальный контроль поверхности пластин на предмет наличия остаточных слоев резиста или окисла, а также загрязнений. Кроме того, перед формированием защитного окисла следует проверять чистоту поверхности пластины, а также постоянно контролировать его толщину.
ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ
Приборно-технологическое моделирование может быть неотъемлемым инструментом как обеспечения, так и контроля и управления качеством технологических процессов. С его помощью может быть разработана причинно-следственная диаграмма и выполнена оценка выхода годных при заданном разбросе технологических режимов.
Кроме того, этот инструмент позволяет оперативно проверять гипотезы возможных причин брака, проводить диверсионный анализ с целью улучшения качества выпускаемых микросхем и анализа узких мест в разработанном технологическом маршруте их производства.
Инструмент приборно-технологического моделирования является неотъемлемым помощником и для разработки тестовых структур контроля, что было продемонстрировано при разработке структуры контроля легирования LDD-областей.
Таким образом, в статье предложен комплекс методик, позволяющий обеспечить управление качеством технологических процессов производства СБИС.
БЛАГОДАРНОСТИ
Авторы благодарят инженера-технолога Отделения микротехнологий ФГУ ФНЦ НИИСИ РАН О. И. Вылеталину за предоставленные результаты ВИМС-анализа.
Приборно-технологическое моделирование выполнялось в системе TCAD Sentaurus, установленной на вычислительном сервере МГТУ им. Н. Э. Баумана.
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке РФФИ (грант 15-07-03116).
ЛИТЕРАТУРА
1. Глудкин О. П., Горбунов Н. М. и др. Всеобщее управление качеством. Учебник для вузов / Под ред. О. П. Глудкина. — М.: Горячая линия — Телеком, 2001. — 600 с.
2. Яшин Г. А. [и др.] / Яшин Г. А., Амирханов А. В., Глушко А. А., Зинченко Л. А., Макарчук В. В., Михальцов Е. П. Моделирование в системе TCAD процесса формирования LDD-областей субмикронных КНИ МОП-транзисторов. // Наноиндустрия. 2017. № Спецвыпуск (74). — С. 218–223.
Проблема управления качеством производства СБИС с субмикронными размерами элементов в настоящее время является одной из наиболее актуальных и важных проблем производства, решение которой представляет собой весьма сложную задачу. Дело в том, что технологический процесс производства СБИС насчитывает несколько сотен отдельных технологических операций, при этом каждая операция в той или иной степени влияет на выходные параметры изготавливаемой СБИС. Поэтому необходим контроль отклонения параметров технологического процесса, что реализуется обычно при помощи измерения электрофизических параметров специальных тестовых структур. Однако в ряде случаев имеющийся набор тестовых структур не всегда обладает возможностью предоставить полную информацию о параметрах технологического процесса.
В этой ситуации имеющийся инструмент приборно-технологического моделирования может быть эффективно использован не только для прогноза электрофизических параметров элементов СБИС, что используется на этапе проектирования качества, но также позволяет выявить операцию технологического процесса, на которой мог произойти сбой режима изготовления. На основе полученной информации можно провести анализ возможности выполнения технологических воздействий, позволивших бы нейтрализовать последствия сбоя режима технологического оборудования, тем самым повысив качество изготовления кристаллов СБИС.
УПРАВЛЕНИЕ КАЧЕСТВОМ ПРОИЗВОДСТВА КРИСТАЛЛОВ СВЕРХБОЛЬШИХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ
Управление качеством производства кристаллов СБИС может быть упрощенно представлено в виде реализации трех подсистем:
• подсистема обеспечения качества,
• подсистема контроля качества,
• подсистема управления качеством.
Подсистема обеспечения качества может быть упрощенно представлена в виде блок-схемы, приведенной на рис. 1.
Для обеспечения качества СБИС необходимо использование в едином комплексе различных средств проектирования. Так, например, на основе технических требований к выходным параметрам схемы с помощью схемотехнических САПР устанавливаются требования к параметрам отдельных компонентов — транзисторов, резисторов, конденсаторов. Эти параметры по заданному алгоритму экстрагируются из ряда электрических характеристик, зависящих от конструкции компонента и технологии его формирования. Связь между конструкцией, технологией и электрическими характеристиками компонента СБИС устанавливается с помощью системы приборно-технологического моделирования. Предварительно выполняется структурная и параметрическая идентификация (так называемая калибровка) моделей технологических операций для обеспечения заданной точности прогноза параметров качества на основе моделирования. Затем на основе информации о допустимых отклонениях электрических параметров исследуемого компонента, можно с помощью системы приборно-технологического моделирования оценить коэффициенты влияния технологических режимов на параметры качества. На основании полученных результатов определяются допуски на вариации технологических режимов и осуществляется их выбор.
С использованием приборно-технологического моделирования оценить процент выхода годных СБИС можно следующим образом. Сначала с помощью метода статистических испытаний Монте-Карло следует сгенерировать несколько выборок случайных значений параметров технологического процесса, а затем провести приборно-технологическое моделирование при всех сгенерированных случайных значениях режимов технологического процесса. После этого необходимо оценить долю выборок, при которых функциональные параметры СБИС признаются удовлетворительными. Эта доля выборок и будет отражать процент выхода годных. Точность полученной оценки будет тем выше, чем больше случайных выборок будет проанализировано. С другой стороны, при обеспечении качества следует учитывать и временные ограничения, поскольку время приборно-технологического моделирования даже на достаточно мощных компьютерах может достигать нескольких часов.
ПРИБОРНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ КАК ЭЛЕМЕНТ ПОДСИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ КАЧЕСТВОМ
Приборно-технологическое моделирование является не только одним из инструментов обеспечения качества, но также позволяет анализировать результаты эксперимента в случае отклонения технологических режимов обработки партии пластин и оценить величину отклонения режимов. Схематично процесс управления качеством СБИС в этом случае показан на рис. 2.
Процесс локализации технологической операции, на которой произошел сбой, можно описать следующим образом. Сначала на основе приборно-технологического моделирования выявляются взаимосвязи между параметрами качества и технологическими режимами выполнения операций. Эти результаты могут быть оформлены, в частности, в виде причинно-следственной диаграммы Исикавы [1]. На основе результатов измерений и упомянутой диаграммы выдвигается гипотеза о причинах возможных изменений параметров технологического процесса. В ряде случаев гипотезы должны быть такими, чтобы существующая процедура аттестации оборудования не позволяла бы увидеть сбои в его работе (этот прием еще называют диверсионным анализом). Затем с помощью той же системы приборно-технологического моделирования проверяется состоятельность сформулированной гипотезы и делается предложение об усовершенствовании процесса аттестации оборудования или о разработке дополнительных тестовых структур контроля параметров технологического процесса.
В случае отклонения параметров технологического процесса возможно на основе приборно-технологической модели оценить возможность реставрации изготавливаемых пластин, а именно, показать, какую обработку пластин и с какими режимами следует выполнить, для того чтобы обеспечить попадание параметров качества в установленные техническим заданием границы допуска.
Кроме того, инструмент приборно-технологического моделирования позволяет проектировать контрольно-измерительные структуры параметрического монитора. Так, в работе [2] на основе приборно-технологической модели изложены результаты проектирования тестовой структуры контроля уровня легирования LDD-областей.
Ниже будет описано, как такая структура позволила проанализировать годные и забракованные пластины и локализовать причину брака.
КОНТРОЛЬ И УПРАВЛЕНИЕ КАЧЕСТВОМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВАНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ СБИС С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СИСТЕМ ПРИБОРНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ НА ПРИМЕРЕ ОБНАРУЖЕНИЯ НЕИСПРАВНОСТИ ОБОРУДОВАНИЯ ИОННОЙ ИМПЛАНТАЦИИ
Одним из возможных примеров применения систем приборно-технологического моделирования при контроле и управлении качеством изготавливаемых пластин было обнаружение неисправности в работе имплантера. Дело в том, что по результатам пооперационного контроля было установлено, что в одной из партий пластин пороговое напряжение полевого транзистора оказалось существенно завышено по отношению к такому параметру на пластинах других партий. Проведенный анализ возможных причин такого увеличения порогового напряжения позволил выделить следующие возможные факторы:
1. Увеличилась толщина подзатворного окисла,
2. В окисле изменилось соотношение привнесенных в технологическом процессе зарядов,
3. Изменилось легирование карманов или LDD-областей.
Причинно-следственная диаграмма влияния технологических параметров на пороговое напряжение представлена на рис. 3.
Первый фактор был проверен на основе анализа вольт-фарадных характеристик МОП-конденсатора, являющегося одним из тестовых элементов параметрического монитора. Результат проверки оказался отрицательным. То есть толщина подзатворного окисла существенно не изменилась.
Второй фактор был проверен отжигом пластины, в процессе которого все заряды в окисле должны были рекомбинировать и, как следствие, пороговое напряжение полевого транзистора должно было нормализоваться. Однако проведенный отжиг ощутимых результатов также не дал.
Кроме измеренного порогового напряжения основного транзистора, был измерен аналогичный параметр паразитного, «донного» транзистора, величина которого оказалась порядка 20 В, что было существенно меньше рассчитанного в результате приборно-технологического моделирования.
Полученные результаты позволили выдвинуть гипотезу о том, что в кармане полевого транзистора изменилось соотношение между поверхностной и донной концентрациями легирующей примеси.
Для объяснения этой гипотезы было выполнено приборно-технологическое моделирование всего технологического цикла производства СБИС, которое показало, что такое возможно лишь в том случае, если энергия процесса глубокого легирования кармана полевого транзистора методом ионной имплантации уменьшится в 3 раза (что связано с возможной потерей заряда трехзарядными ионами легирующей примеси и их дальнейшим ускорением, но уже до энергии в 3 раза меньшей заданной имплантеру).
Следует отметить, что стандартный процесс аттестации имплантера, основанный на измерениях поверхностного сопротивления соответствующей тестовой структуры параметрического монитора, не показал неисправности в работе установки, поскольку поверхностное сопротивление главным образом зависит не от энергии, а от дозы легирования (см. рис. 4), которая осталась неизменной.
Выдвинутая гипотеза побудила к дальнейшей проверке качества работы имплантера, которая обнаружила наличие повышенного остаточного давления в его рабочей зоне, что указывало на присутствие там атомов газа, от которых по каким-либо причинам не удалось избавиться и наличие которых может приводить к потере части заряда трехзарядными ионами легирующей примеси фосфора.
Для окончательной проверки гипотезы об изменении энергии легирования были подготовлены экспериментальные образцы пластин, легированные трехзарядными ионами фосфора, после чего эти образцы были отправлены на ВИМС-анализ, результаты которого представлены на рис. 5.
Из рисунка видно, что действительно произошло трехкратное уменьшение энергии легирующих ионов. Полученные результаты позволили дополнить процесс аттестации имплантера, включив в него ВИМС-анализ в качестве обязательного элемента аттестации.
АНАЛИЗ ГОДНЫХ И ЗАБРАКОВАННЫХ ИЗДЕЛИЙ С ПОМОЩЬЮ ОПЕРАЦИИ КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ LDD-ОБЛАСТЕЙ
В предыдущем разделе речь шла об операции легирования карманов полевых транзисторов, контроль за выполнением которой осуществлялся с использованием резистивных структур и структур МОП-конденсаторов. Однако на тот момент контроль за созданием LDD-областей, которые формировались легированием однозарядными ионами малой энергии (5–30 кэВ) бора (для p-канальных транзисторов) или фосфора (для n-канальных транзисторов), еще не был введен, поскольку потеря заряда ионами в этой технологической операции считалась маловероятной. Однако, как показали исследования, наличие даже небольшого слоя (порядка 100–200 Å) остаточного резиста или окисла может нарушить функционирование транзисторной структуры [2]. Необходимо подчеркнуть, что контроль дозы легирования при формировании LDD-областей на основе измерения сопротивления тестовых структур параметрического монитора был затруднен в связи с тем, что LDD-области в «чистом виде» не присутствовали в тестовых структурах параметрического монитора: имело место либо их включение последовательно с областью легирования карманов (имеющих большее сопротивление), либо параллельно с сильнолегированной областью истока/стока (имеющей меньшее сопротивление). Поэтому была разработана специальная шестиконтактная структура контроля сопротивления LDD-областей, описание которой приведено в [2]. Следует еще раз отметить, что, как показало приборно-технологическое моделирование, качество легирования LDD-областей чрезвычайно чувствительно к толщинам слоев остаточного резиста и окисла.
Разработанная структура позволила установить причину брака в одной из партий пластин, в которой пороговые напряжения полевых транзисторов оказались примерно в 2 раза выше установленной нормы. При этом структуры контроля степени легирования карманов и сильнолегированных областей не имели существенных отклонений в величине сопротивлений относительно средних значений по партиям. Измеренная толщина подзатворного окисла также не имела отличий от заданной нормы. Существенное отклонение от заданной нормы было выявлено только при измерении величины сопротивления LDD-областей. На рис. 6–7 показаны вольтамперные характеристики резисторов на основе областей n- и p-типа легирования для годных пластин, а на рис. 8–9 — аналогичные характеристики в партии бракованных пластин.
Как видно из приведенных рисунков, резисторы, сформированные из LDD-областей, в бракованной партии пластин имеют качественно другую вольтамперную характеристику по сравнению с аналогичными резисторами из партии годных пластин. Поэтому, в соответствии с причинно-следственной диаграммой, можно локализовать причину двукратного повышения порогового напряжения как сбой при выполнении операции легирования LDD-областей, вызванный либо наличием загрязнений на пластине, либо наличием остаточных слоев окисла/резиста. Следовательно, перед формированием LDD-областей необходимо осуществлять визуальный контроль поверхности пластин на предмет наличия остаточных слоев резиста или окисла, а также загрязнений. Кроме того, перед формированием защитного окисла следует проверять чистоту поверхности пластины, а также постоянно контролировать его толщину.
ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ
Приборно-технологическое моделирование может быть неотъемлемым инструментом как обеспечения, так и контроля и управления качеством технологических процессов. С его помощью может быть разработана причинно-следственная диаграмма и выполнена оценка выхода годных при заданном разбросе технологических режимов.
Кроме того, этот инструмент позволяет оперативно проверять гипотезы возможных причин брака, проводить диверсионный анализ с целью улучшения качества выпускаемых микросхем и анализа узких мест в разработанном технологическом маршруте их производства.
Инструмент приборно-технологического моделирования является неотъемлемым помощником и для разработки тестовых структур контроля, что было продемонстрировано при разработке структуры контроля легирования LDD-областей.
Таким образом, в статье предложен комплекс методик, позволяющий обеспечить управление качеством технологических процессов производства СБИС.
БЛАГОДАРНОСТИ
Авторы благодарят инженера-технолога Отделения микротехнологий ФГУ ФНЦ НИИСИ РАН О. И. Вылеталину за предоставленные результаты ВИМС-анализа.
Приборно-технологическое моделирование выполнялось в системе TCAD Sentaurus, установленной на вычислительном сервере МГТУ им. Н. Э. Баумана.
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке РФФИ (грант 15-07-03116).
ЛИТЕРАТУРА
1. Глудкин О. П., Горбунов Н. М. и др. Всеобщее управление качеством. Учебник для вузов / Под ред. О. П. Глудкина. — М.: Горячая линия — Телеком, 2001. — 600 с.
2. Яшин Г. А. [и др.] / Яшин Г. А., Амирханов А. В., Глушко А. А., Зинченко Л. А., Макарчук В. В., Михальцов Е. П. Моделирование в системе TCAD процесса формирования LDD-областей субмикронных КНИ МОП-транзисторов. // Наноиндустрия. 2017. № Спецвыпуск (74). — С. 218–223.
Отзывы читателей
