berkeley cmos tesztábrák minőségbiztosítás a mikroelektronikában, 2013. tavaszi félév

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi EgyetemElektronikus Eszközök Tanszéke

http://www.eet.bme.hu

Berkeley CMOS tesztábrákMinőségbiztosítás a mikroelektronikában, 2013. tavaszi félév

Dr. Mizsei JánosSomlay GergelyJuhász László

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem

Elektronikus Eszközök Tanszéke

09-03-30 Berkeley CMOS tesztábrák 2

Bevezető► Gyors méretcsökkenés a CMOS áramkökrökben► Az áramkörök bonyolultságuk miatt alkalmatlanok a

gyártási folyamat ellenőrzésére és beállítására► A termékek mellett teszt eszközöket is legyártanak ► Ezen teszt eszközök vagy tesztábrák mérési

adataiból következtetnek a termék vagy a gyártási folyamat tulajdonságaira

► Következtetni lehet a kihozatalra vagy alacsony kihozatal esetén a hibára, ellenőrizni és szabályozni lehet a gyártási folyamatot

► A vágási sávokba helyezik a teszábrákat




Berkeley BCAM csoport► Berkeley Computer-Aided Manufacturing (BCAM)

csoport tervezte a következőkben tárgyalt tesztábrákat

► Céljuk a Berkeley Microfabrication Laboratory gyártási folyamatának havonkénti ellenőrzése

► További felhasználási célok: Kihozatal becslése Áramkörök gyárthatóságának modellezése




Tesztábrák típusai► Tesztábrák felhasználási területei:

Eszközparaméterek meghatározása Áramkör paramétereinek meghatározása Gyártási folyamat paramétereinek meghatározása Random hibaellenőrzés Megbízhatóság ellenőrzése




Eszközparaméterek meghatározása► Áramkörszimulációs célokra

SPICE tranzisztormodell stb.► Kétféle meghatározási mód:

Direkt: egy-egy paraméter meghatározása minden más tényező kizárásával

Indirekt: általános adathalmaz gyűjtése, melyben minden paraméter benne van, majd ezek alapján algoritmusok segítségével határozzák meg a paramétereket




Gyártási folyamat jellemzése► Optikai

Csíkszélesség, távolságok betartása Megbízható és pontos Lassú

► Elektromos Adalékolás, négyzetes ellenállás Elektromos jelre adott válaszból számítanak egy-egy

paramétert Automatizált Pontos tervezés szükséges, hogy csak egy paramétertől

függjön a jelre adott válasz




Végzetes hibák kiszűrése► Nem teljesen azonos a gyártási folyamat szeletről

szeletre és a gyártósor nem tökéletesen tiszta► Tipikus hibák:

Fémezés megszakadása a fotorezisztben lévő szennyeződés miatt

Oxidban tűlyuk effektus Vonalszakadás rossz lépcsőfedés miatt

► A tesztek célja nemcsak a hiba felfedése, hanem lokalizálása is




Megbízhatósági tesztek► A vizsgált struktúrát erős igénybevételnek teszik ki

Túlfeszültség, áramerősség, hőmérséklet, pára stb.► A hibák az atomi mozgások és ionos töltésállapot

változások miatt alakulnak ki Elektronmigráció Átütés Töltésinjekció Korrózió

A plazmamarás okozta oxid sérülés kivételével használhatóak a más vizsgálatokra tervezett tesztábrák




Áramkörparaméterek meghatározása► Paraméterek melyek az egész IC-t jellemzik:

Működési frekvencia, disszipáció, meghajtás ► Az IC-k túl bonyolultak, ezért az IC-t utánzó teszt

struktúrákat alkalmaznak (pl. ring oszcillátor)► Nehéz az eredményekből a gyártási folyamat

beállításait javítani► Elfogadható becslést ad az IC teljesítményéről




A technológia► 2 µm-es n-zsebes technológiára tervezve► 2 fémezési réteg

Csíkszélesség: 3 µm Minimális távolság: 6 µm

► Tesztpinek: 100 µm x 100 µm metal2, via, metal1




Tesztstruktúrák: eszköz paraméterek► Egyedi MOSFET-ek 1; 1,3; 1,5; 2; 3; 5; 10 és 25 µm

gatehosszúsággal, 5; 10 és 50 µm szélességgel




Tesztstruktúrák: eszköz paraméterek




Tesztstruktúrák: eszköz paraméterek► Analóg áramkörökben fontosak az azonosan

működő eszközök► Szorosan csatolt tranzisztor mátrixok: 4x4 tömbök




Tesztstruktúrák: eszköz paraméterek► Kapacitások, melyekkel a gate oxid is minősíthető► 300 x 300 µm méretűek► C-V méréssel megállapítható a gate oxid vastagság,

az adalékolás, a határfelületi jellemzők




Tesztstruktúrák: folyamatparaméterek► Kontaktus ellenállás

Jelentős a szórás az ellenállások között Méretcsökkenés miatt nő az ellenállásuk

► 4 vagy 6 kivezetéses kontaktus láncokkal vizsgálják




Tesztstruktúrák: folyamatparaméterek




Tesztstruktúrák: folyamatparaméterek► Felhasított kereszt híd ellenállások► Rétegellenállás és csíkszélesség ellenőrzése► Összeköttetések ellenállása, késleltetések,

adalékolás, áramvezetési képesség határozható meg




Tesztstruktúrák: folyamatparaméterekA mérés három részből áll:► A kereszt rész a réteg-

ellenállásmérésre:

► A középső rész a vonalszélesség mérésére:

► A harmadik rész a felhasítás adatainak mérésére:




Tesztstruktúrák: folyamatparaméterek► Fallon létra: minimális felbontás meghatározható► Kiszámított ellenálláslépcsők► A nem megvalósított ellenállások módosítják az

eredő ellenállást► A fokok 0,1 µm-rel keskenyednek




Tesztstruktúrák: folyamatparaméterek► Önillesztő n+ hidak: rétegek közötti félreillesztés

vizsgálatára► Az optikai ellenőrzés korai eredményeket ad, de

időigényes és költséges lehet► Az elektromos gyors és olcsó, de csak a

megmunkálás után végezhető el a vizsgálat► A struktúra két nagyon széles tranzisztorból áll,

de a gate nincs bekötve► A diffúziós rétegek alkotják az ellenálláspárokat




Tesztstruktúrák: folyamatparaméterek► A négy ellenállás Wheatstone-hídba kapcsolva► A kialakítás miatt: R2 = R4 és R1 = R3

innen




Végzetes hibák és megbízhatóság► Kontaktuslánc: a szeletenkénti kontaktusok száma

nagy és akár egy meghibásodása is végzetes lehet► Kontaktusok meghibásodásának okai:

Layout tervezésnél kimarad Kontaktusellenállás a szórás miatt megnő Véletlen hiba a gyártás során Működés során bekövetkező hiba

► A kontaktusláncok kígyó alakban vezetett fémrétegek, melyeket kontaktusok kötnek össze




Végzetes hibák és megbízhatóság► 104 db 3 x 3 µm-es és 2 x 2 µm-es kontaktus




Végzetes hibák és megbízhatóság► Fésűs ellenállások: a vonalszélesség szórását és a

szennyeződések jelenlétét lehet vizsgálni► Ha a kivezetések között áram folyik, akkor hiba van► Megbízhatósági teszt: pára, hőmérséklet, feszültség



09-03-30

Végzetes hibák és megbízhatóság




Végzetes hibák és megbízhatóság► Szerpentin alakú ellenállások: szakadásvizsgálat► Abnormálisan magas ellenállás hibát jelent► Szerpentin/fésűs ellenállással mindkét hiba

vizsgálható




Végzetes hibák és megbízhatóság► Szerpentin ellenállás topológián: fémezés

folytonossága a lépcsőkön► PoliSi csíkok a lépcsők




Végzetes hibák és megbízhatóság► MOSFET antennával: plazmamarás során

töltésfelhalmozódás léphet fel a gate-ekhez kapcsolódó alumínium vezetékekben és a gate oxidban

► Charge-to-breakdown mérések egy referencia és egy antennával rendelkező tranzisztoron



09-03-30

Teszt chip felépítése► Scribe-line és drop-in területek► Scribe-line: tesztstruktúrák és illesztőábrák► Drop-in: a tényleges IC terület, a tesztchipen itt is

tesztstruktúrák helyezkednek el




Scribe-line felépítése► A vágási zóna► Mérések a szeletdarabolás előtt



09-03-30

BCAM tesztchip felépítése

► Mindkét területen tesztstruktúrák helyezkednek el

► A layout kialakítása során a cél az volt, hogy a felületen lévő különbségeket is mérni lehessen

► Minden eddig bemutatott struktúrát megvalósították a chipeken




A teszt IC felépítése




Automata teszter felépítése► A hatékony adatgyűjtéshez automata teszter lett

fejlesztve► A mérés a SUNBASE program segítségével

vezérelhető



09-03-30

Automata teszter felépítése► Két szövegfájl konfigurálásával lehet a beépített

mérési szubrutinok közül választani, vagy továbbiakat hozzáadni

► A mérési rutinok: Meghatározzák a feszültség és áramszinteket, Ellenőrzik ezek csatlakozását a mérőpontokra, Összegyűjtik az adatokat Elvégzik a paraméterbecslést

► A mérési adatok egy szövegfájlba íródnak ki



09-03-30

Mérési eredmény példa► Vonalvastagság változása két szeleten:

berkeley cmos tesztábrák minőségbiztosítás a mikroelektronikában, 2013. tavaszi félév

Documents