Berkeley CMOS tesztábrák Minőségbiztosítás a mikroelektronikában, 2013. tavaszi félév

1. Dr. Mizsei János Somlay Gergely Juhász László Berkeley CMOS tesztábrákMinőségbiztosítás a mikroelektronikában, 2013. tavaszi félév

2. Berkeley CMOS tesztábrák 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

3. Berkeley CMOS tesztábrák 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

4. Berkeley CMOS tesztábrák Tesztábrák típusai • Tesztábrák felhasználási területei: • Eszközparaméterek meghatározása • Áramkör paramétereinek meghatározása • Gyártási folyamat paramétereinek meghatározása • Random hibaellenőrzés • Megbízhatóság ellenőrzése

5. Berkeley CMOS tesztábrák 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

6. Berkeley CMOS tesztábrák 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

7. Berkeley CMOS tesztábrák 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

8. Berkeley CMOS tesztábrák Megbízhatósági tesztek • A vizsgált struktúrát erős igénybevételnek teszik ki • Túlfeszültség, áramerősség, hőmérséklet, párastb. • 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

9. Berkeley CMOS 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

10. Berkeley CMOS tesztábrák 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

11. Berkeley CMOS tesztábrák 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

12. Berkeley CMOS tesztábrák Tesztstruktúrák: eszköz paraméterek

13. Berkeley CMOS tesztábrák Tesztstruktúrák: eszköz paraméterek Analóg áramkörökben fontosak az azonosan működő eszközök Szorosan csatolt tranzisztor mátrixok: 4x4 tömbök

14. Berkeley CMOS tesztábrák Tesztstruktúrák: eszköz paraméterek

15. Berkeley CMOS tesztábrák 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

16. Berkeley CMOS tesztábrák Tesztstruktúrák: eszköz paraméterek

17. Berkeley CMOS tesztábrák Tesztstruktúrák: folyamatparaméterek Kontaktus ellenállás Jelentős a szórás az ellenállások között Méretcsökkenés miatt nő az ellenállásuk 4 vagy 6 kivezetéses kontaktus láncokkal vizsgálják

18. Berkeley CMOS tesztábrák Tesztstruktúrák: folyamatparaméterek

19. Berkeley CMOS tesztábrák Tesztstruktúrák: folyamatparaméterek Felhasított kereszt híd ellenállások Rétegellenállás és csíkszélesség ellenőrzése Összeköttetések ellenállása, késleltetések, adalékolás, áramvezetési képesség határozható meg

20. Berkeley CMOS tesztábrák Tesztstruktúrák: folyamatparaméterek A mérés három részből áll: • A kereszt rész a réteg-ellenállásmérésre: • A középső rész a vonalszélesség mérésére: • A harmadik rész a felhasítás adatainak mérésére:

21. Berkeley CMOS tesztábrák Tesztstruktúrák: folyamatparaméterek

22. Berkeley CMOS tesztábrák Tesztstruktúrák: folyamatparaméterek Fallon létra: minimális felbontás meghatározható Kiszámított ellenálláslépcsők A nem megvalósított ellenállások módosítják az eredő ellenállást A fokok 0,1 µm-rel keskenyednek

23. Berkeley CMOS tesztábrák Tesztstruktúrák: folyamatparaméterek

24. Berkeley CMOS tesztábrák 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

25. Berkeley CMOS tesztábrák Tesztstruktúrák: folyamatparaméterek

26. Berkeley CMOS tesztábrák Tesztstruktúrák: folyamatparaméterek • A négy ellenállás Wheatstone-hídba kapcsolva • A kialakítás miatt: R2 = R4 és R1 = R3 innen

27. Berkeley CMOS tesztábrák Tesztstruktúrák: folyamatparaméterek

28. Berkeley CMOS tesztábrák 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

29. Berkeley CMOS tesztábrák Végzetes hibák és megbízhatóság 104 db 3 x 3 µm-es és 2 x 2 µm-es kontaktus

30. Berkeley CMOS tesztábrák 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

31. Végzetes hibák és megbízhatóság

32. Berkeley CMOS tesztábrák Végzetes hibák és megbízhatóság Szerpentin alakú ellenállások: szakadásvizsgálat Abnormálisan magas ellenállás hibát jelent Szerpentin/fésűs ellenállással mindkét hiba vizsgálható

33. Berkeley CMOS tesztábrák Végzetes hibák és megbízhatóság

34. Berkeley CMOS tesztábrák Végzetes hibák és megbízhatóság Szerpentin ellenállás topológián: fémezés folytonossága a lépcsőkön PoliSi csíkok a lépcsők

35. Berkeley CMOS tesztábrák Végzetes hibák és megbízhatóság

36. Berkeley CMOS tesztábrák 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

37. 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

38. Berkeley CMOS tesztábrák Scribe-line felépítése • A vágási zóna • Mérések a szeletdarabolás előtt

39. 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

40. Berkeley CMOS tesztábrák A teszt IC felépítése

41. Berkeley CMOS tesztábrák Automata teszter felépítése • A hatékony adatgyűjtéshez automata teszter lett fejlesztve • A mérés a SUNBASE program segítségével vezérelhető

42. 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

43. Mérési eredmény példa • Vonalvastagság változása két szeleten: