Введение к работе
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). 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 (ИМ) 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 нераз-рушающими 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.
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.
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 субмикронной 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 особен
ностей) тестовых элементов.
б) Подготовка и модернизация измерительного оборудования, обеспечивающего
необходимую точность, чувствительность, воспроизводимость и автоматизацию из
мерений.
4) Проследить динамику изменения ЭФ параметров при уменьшении ТН с целью
выявления операций технологического процесса, определяющих возможность пере
хода на новую ТН.
Последняя задача состояла из нескольких взаимодополняющих этапов:
а) Исследование надежности подзатворного диэлектрика при уменьшении тол
щины 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 тес
товых МОПТ и МОП-структур при высокополевых воздействиях с целью выявления
латентных и других дефектов, определяющих долговременную стабильность пара
метров ИС при внешних воздействиях, и определения возможности перехода на но
вую 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 расши-
ренного перечня ЭФ параметров и проведения углубленных исследований для установления более однозначной связи их значений с параметрами технологических операций.
2) Разработан измерительный комплекс, включающий систему дополнительных параметров для тестовых структур ПМ и позволяющий проводить углубленные исследования МОП-транзисторов и структур взаимодополняющими методами при однократном подсоединении (в том числе методами зарядовой накачки и GIDL-характеристик), метрологические характеристики и экспрессность которого позволяют использовать его в субмикронной КМОП технологии.
3) Разработан оригинальный метод экстракции профиля распределения примеси вдоль канала МОПТ из зависимости тока зарядовой накачки от напряжения базового уровня затворных импульсов постоянной амплитуды, учитывающий поверхностный потенциал поликремниевого затвора и заряд ПС. Метод минимизирует воздействие условий измерения на зарядовое состояние подзатворной системы МОПТ.
4) С использованием трех методов исследования - мониторинга тока через диэлектрик в процессе воздействия, метода зарядовой накачки и подпороговых ВАХ МОПТ - выявлены особенности и предложена качественная модель физических явлений при воздействиях поля высокой напряженности в подзатворной системе МОПТ, изготовленных в рамках конкретной субмикронной технологии.
Практическая значимость работы
Созданный измерительный комплекс был применен в рамках технологии экспериментального участка НИИСИ РАН для исследования короткоканальных эффектов, эффектов горячих носителей и зарядовых явлений в подзатворной системе МОПТ.
Разработанная система информационных параметров была использована при расширенном анализе технологического процесса и может быть внедрена в систему операционного контроля без существенной потери его оперативности.
Разработанный комплекс электрофизических методов может быть использован для периодического неразрушающего контроля и исследования электрофизических характеристик тестовых структур в субмикронной КМОП технологии.
Полученные результаты в рамках конкретной технологии могут быть использованы при решении задач, связанных с уменьшением ТН и при расширенном анализе брака с целью выявления ответственных технологических операций.
Выявленные конструктивно-технологические особенности тестовых структур могут быть использованы для улучшения конструкции тестовых элементов, при разработке методов измерения предлагаемых ЭФ параметров на технологическом оборудовании и при интерпретации получаемых результатов.
Достоверность результатов
Все сделанные в работе выводы основываются на хорошо воспроизводимых экспериментальных результатах, полученных на современном оборудовании. Результаты находятся в соответствии с известными физическими моделями и эффектами.
Положения, выносимые на защиту
Измерительный комплекс, включающий систему дополнительных параметров для тестовых структур ПМ и позволяющий проводить углубленные исследования МОП-транзисторов и структур взаимодополняющими методами при однократном подсоединении (в том числе методами зарядовой накачки и G/DL-характеристик), метрологические характеристики и экспрессность которого позволяют использовать его в субмикронной КМОП технологии.
Выводы и результаты, полученные с использованием созданного измерительного комплекса при исследовании динамики изменения короткоканальных эффектов и эффектов «горячих носителей» при уменьшении ТН в рамках конкретной технологии.
Метод экстракции профиля распределения примеси вдоль канала МОПТ из зависимости тока зарядовой накачки от напряжения базового уровня затворных импульсов постоянной амплитуды, минимизирующий воздействие условий измерения на зарядовое состояние подзатворной системы МОПТ.
Качественная модель зарядовых явлений в подзатворной системе w-МОПТ при воздействиях высокой напряженностью электрического поля положительной и отрицательной полярности.
Апробация работы
Результаты исследований, изложенные в диссертации, докладывались на международной научно-технической конференции "Инновационные технологии в науке, технике и образовании" (2009, Египет), XVII и XVIII Международных конференциях «Флуктуационные и деградационные процессы в полупроводниковых приборах» (2010, 2011, Москва), семинарах в отделении микротехнологии НИИСИ РАН, а также на XVI и XVII Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (2010, 2011, Москва).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 10 работ, из них - 2 статьи в научно-техническом журнале из перечня ВАК России, 4 статьи в других изданиях, 4 работы в
тезисах докладов Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов.
Структура и объем диссертации
