Разработка измерительного комплекса для контроля и исследования субмикронной КМОП технологии электрофизическими методами

• Автор: Орешков, Максим Викторович
• Шифр специальности: 01.04.10
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 174 с. : ил.

Введение
Актуальность
С момента изобретения первой интегральной схемы прошло уже более 40 лет, и все это время магистральным направлением развития микроэлектроники оставалось и продолжает оставаться повышение степени интеграции в интегральной схеме (ИС) [1]. Развитие технологии производства структур типа «металл-диэлектрик-полупроводник» (МДП-структур) к концу 1960-х годов позволило наладить выпуск ИС на их основе и начать активное движение в направлении повышения степени интеграции и снижения стоимости производства ИС.
Переход к новым топологическим нормам (ТН) сопровождается постоянным совершенствованием технологического оборудования, разработкой новых конструктивно-технологических решений, усложнением технологического процесса с целью обеспечения возможности реализации элементов ИС с меньшими размерами. Большое разнообразие вариантов исполнения и методов их реализации приводит к существенному увеличению количества конструктивно-технологических факторов, влияющих на характеристики ИС.
В производственной практике изготовления ИС постоянно приходится решать задачу контроля и оптимизации технологического процесса с целью улучшения его выходных характеристик и повышения выхода годных. Основой для решения данной задачи является создание управляемой технологии, цель которой заключается в целенаправленном воздействии на входные и выходные параметры технологических операций. Информационной основой для решения подобной задачи являются результаты исследования тестовых элементов параметрического монитора (ПМ) ИС или тестового характеристического кристалла технологии в зависимости от этапа производства ИС (серийное производство или разработка) и поставленной задачи. Набор тестовых структур, входящих в состав ПМ, а также система параметров и методики их определения должны обеспечивать в рамках конкретной технологии возможность контроля качества проведения технологических операций и воспроизводимости технологического процесса. На этапе разработки или оптимизации конструкции элементов ИС, а также при углубленном анализе брака требуется выпуск специального кристалла, позволяющего полностью охарактеризовать состояние технологического процесса и локализовать технологическую операцию, приводящую к наблюдаемым изменениям, и применение расширенного углубленного анализа тестовых элементов на этом кристалле. Данный вид анализа занимает в иерархии следующий после операционного контроля уровень и позволяет достаточно оперативно получать информацию неразру-

шающими методами. При этом некоторую важную информацию можно получать только с использованием этого уровня анализа.
Применительно к технологии производства комплементарных ИС на основе структур металл-оксид-полупроводник (КМОП) с субмикронной ТН основным объектом для изучения и контроля технологического процесса становится тестовый транзистор на основе структуры металл-оксид-полупроводник (МОПТ), который, по возможности, должен соответствовать конструктивным и технологическим решениям транзистора в реальной ИС.
В реальной технологической практике осуществляется, как правило, операционный контроль весьма ограниченного набора параметров тестового транзистора, который дает достаточную информацию о стабильности технологического процесса в целом, но является недостаточным для диагностики отдельных блоков технологических операций. В этом случае, важной задачей становится создание системы информационных параметров тестовых структур, анализ которых позволил бы установить их более однозначную связь с технологическим процессом изготовления. Это, в свою очередь, делает необходимым применение наиболее информативных методов исследования электрофизических (ЭФ) параметров таких транзисторов и совместной реализации этих методов для каждого конкретного случая в едином измерительном цикле.
Применительно к субмикронной технологии, ключевой особенностью исследования тестовых структур является необходимость регистрации сверхмалых токов с приемлемой точностью и воспроизводимостью, а также применение и адаптация к конкретной технологии специальных методик исследования ЭФ характеристик.
На сегодняшний день в России практически отсутствуют работы, посвященные электрофизическим исследованиям субмикронных КМОП технологий. При этом для повышения выхода годных кристаллов ИС, диагностики отдельных блоков технологических операций и перехода в более глубокий субмикронный диапазон требуется разработка и применение методов углубленного электрофизического контроля и исследований.
Вышесказанное определило цель данной работы — разработка и создание измерительного аппаратно-методического комплекса для исследования субмикронной технологии производства КМОП ИС электрофизическими методами, позволяющего решать задачи диагностики и совершенствования технологических процессов изготовления субмикронных ИС.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие основные задачи:
1) Провести анализ информативности и достаточности существующей системы операционного контроля в части измерений на ПМ ИС ЭФ параметров для определения имеющихся связей с параметрами технологических операций.

2) Расширить состав ЭФ параметров, измеряемых в ходе операционного контроля технологического процесса производства субмикронных КМОП ИС с целью получения более однозначной связи их значений с конструктивно-технологическими параметрами тестовых структур. Провести анализ расширенной системы ЭФ параметров для оценки воспроизводимости и возможностей технологического процесса.
3) Создать комплекс взаимодополняющих электрофизических методов измерения расширенного перечня ЭФ параметров для целей как операционного контроля технологического процесса, так и углубленного исследования физических процессов в подзатворной системе тестовых МОП транзисторов и конденсаторов при различных воздействиях (высокой напряженностью электрического поля, ионизирующим излучением, горячими носителями и др.) и уменьшении ТН в рамках конкретной субмикрон-ной технологии КМОП ИС. Данная задача разбивается на два этапа:
а) Выбор наиболее информативных методов и их адаптация для имеющегося оборудования и технологии изготовления (конструктивно-технологических особенностей) тестовых элементов.
б) Подготовка и модернизация измерительного оборудования, обеспечивающего необходимую точность, чувствительность, воспроизводимость и автоматизацию измерений.
4) Проследить динамику изменения ЭФ параметров при уменьшении ТН с целью выявления операций технологического процесса, определяющих возможность перехода на новую ТН.
Последняя задача состояла из нескольких взаимодополняющих этапов:
а) Исследование надежности подзатворного диэлектрика при уменьшении толщины от 6 нм до 4.5 нм.
б) Определение лимитирующих конструктивно-технологических параметров МОПТ, препятствующих уменьшению ТН.
в) Исследование особенностей зарядовых явлений в подзатворной системе тестовых МОПТ и МОП-структур при высокополевых воздействиях с целью выявления латентных и других дефектов, определяющих долговременную стабильность параметров ИС при внешних воздействиях, и определения возможности перехода на новую ТН.
Научная новизна работы
1)На основе разработанной структурной схемы взаимосвязей электрических параметров тестовых структур ПМ с их конструктивно-технологическими параметрами и формирующими блоками технологических операций, а также статистического и корреляционного анализа показана необходимость операционного контроля расширенного перечня ЭФ параметров и проведения углубленных исследований для уста-

основных носителей достаточен для поддержания соответствующего изменения концентрации носителей при небольшом изменении напряжения. В отличие от режима обеднения и слабой инверсии, в режиме сильной инверсии изменение заряда при изменении приложенного напряжения уже происходит не на краю области обеднения, а на поверхности полупроводника в инверсионном слое, что обусловливает большую дифференциальную емкость Сдс, при этом общая емкость опять стремится к Сох. Экспериментально установлено, что емкость МОП-структуры наиболее сильно зависит от частоты в диапазоне от 5 Гц до 1 кГц [5, 6]. Это связано с временем жизни носителей заряда и темпом генерации в подложке. В следствие этого ВФХ на высокой частоте в режиме инверсии не испытывает роста (кривая в), а при средних частотах (кривая б) не стремится к величине Сог.
Высокочастотная ВФХ. В режиме обеднения количество ионизованных атомов акцепторной примеси в области пространственного заряда (ОПЗ) выражается как где IVо - ширина слоя обеднения. Интегрирование уравнения Пуассона дает распределение потенциала в ОПЗ:

(2.11)
" о I
где поверхностный потенциал ф5 равен:
Яр,=-т (2-12)

По мере увеличения напряжения У(1, г|1, и увеличиваются. В итоге, наступает режим сильной инверсии, а УУ0 достигает своего максимального значения. При сильной инверсии происходит эффект «экранирования» полупроводника инверсным слоем от дальнейшего проникновения ОПЗ вглубь подложки и даже малейшее изменение изгиба зон (соответствующее очень малому изменению ширины слоя ОПЗ) приводит к значительному увеличению плотности заряда в инверсном слое. Соответствующее значение максимальной ширины У[,т можно вычислить следующим образом:
!2ее0ф5(сильная инверсия) Г2ее02ф,1п (Л,
"'1 ТТ., 1
Даже если подавать на структуру медленно меняющееся напряжение, обеспечивающее своевременное изменение заряда в инверсном слое, малосигнальная высокочастотная емкость структуры будет определяться соответствующим изменением заряда на краю ОПЗ. Минимальная ВЧ емкость структуры просто связана с емкостью слоя ОПЗ:
С-=г* +в V (2Л4)
сиох~сохп От