MOS technológia vizsgálata tesztábrával

MOS technológia vizsgálata tesztábrával DR. VALKÓ Á G N E S - D R . E R D É L Y I K A T A L I N SERES M I H Á L Y - R O S A N I C S G Y Ö R G Y MEV

ÖSSZEFOGLALÁS A tesztábra vizsgálat számítógéppel segített méréstechnikán alapszik. A cikkben bemutatott számítógépes programok segít­ ségével a rendelkezésre álló miniszámítógéppel vezérelt mérőrend­ szert korszerű tesztábra vizsgáló állomássá íejlesztettük. Az egyes programcsomagok a folyamatos alkalmazástechnikai vizsgálatok tapasztalataival kiegészülve nyertek végleges formát. A rendszer egyaránt alkalmas a folyamatirányítás, a tervezési paraméter meg­ határozás és a hibaanalízis célú tesztábra vizsgálatok elvégzésére.

Bevezetés Az integrált funkciók s z á m á n a k növekedésével egyre nő a befejezett á r a m k ö r i szeleten végzett t e s z t á b r a vizsgálatok szerepe. A t e s z t á b r a vizsgálatok szerep­ körének kiterjedését a számítógéppel segített mérés­ technika elterjedése tette lehetővé. Az intelligens DC p a r a m é t e r m é r ő a u t o m a t á k a 70-es évek végén kezd­ ték meg á t a l a k í t a n i a MOS L S I technológia folyamat­ ellenőrzését. A számítógép-vezérlés gyors adatfel­ dolgozást tesz lehetővé. Az alkalmazástechnikai is­ meretek kiszélesedésével a mérőrendszerek szakosod­ tak, megfogalmazták a kifejezetten t e s z t á b r a para­ méter vizsgálatra szolgáló mérőrendszerek jellem­ zőit [1, 2]. A t e s z t á b r a vizsgálatok h a t é k o n y s á g á t a meg­ felelően m e g v á l a s z t o t t stratégia biztosítja: milyen a tesztchip kialakítása, milyen a tesztchip elhelyezése a szeleten, milyen az adatfeldolgozás jellege, stb. A t e s z t á b r á k kialakítása és a mérési eljárás köl­ csönhatása szabványos mérőalakzatok és mérőprog­ ramok kialakulásához vezetett. Hosszú fejlesztő munka eredményeképpen jelent meg a National Bureau of Standards (NBS) ajánlása a félvezető tech­ nológiai műveletek, műveletsorok, anyagok és be­ rendezések minősítésére e g y a r á n t alkalmas tesztalak­ zatokra [3, 4]. A korszerű Si-gate CMOS technológiák optimalizá­ lása, a tervezési szabályok megállapítása világszerte elsődlegesen t e s z t á b r a vizsgálatokra t á m a s z k o d v a folyik [5]. A t e s z t á b r a vizsgálatok fejlődése megvál­ toztatta a gyártósorok folyamatellenőrzésének rend­ szerét is. Nagymennyiségű p a r a m é t e r megváltozása vizsgálható gyakori mintavétellel. A gazdaságos fo­ l y a m a t i r á n y í t á s k é t egymásnak ellentmondó szem­ pont kompromisszumos kielégítésével t ö r t é n i k ; azaz fontos az i n p r o d u k t í v tesztchipek s z á m á n a k mini­ malizálása, növekvő mennyiségű információigény mellett. A z optimális megoldás kihozatali modellek felállítását is igényli [6].

Beérkezett: 1985. I V . 30. ( A ) Híradástechnika

XXXVI.

évfolyam

1985. 10.

szám

DR.

VALKÓ

ÁGNES

A BME Villamosmérnö­ ki Karán szerzett diplo­ mát 1970-ben, majd mű­ szaki doktori oklevelet 1975-ben. 1970-ben kez­ dett a HIKI-ben MOS integrált áramkör-tech­ nológia fejlesztéssel fog­ lalkozni. 1976 — 1980 közötti időszakban a HIKI NMOS LSI áramkör technológia fej­ lesztési programjában konstrukciós témavezető­ ként vett részt. 1979-ben tudományos osztályveze­ tőnek nevezték ki. A HIKI megszűnésekor a

jogutód ME V félvezető fejlesztésen kapott osz­ tályvezetői kinevezést. Az osztály MOS konstruk­ ciós osztály néven foly­ tatja működését. Jelenleg az OKKFT A/4 1. út­ program „Félvezető ré­ tegszerkezetek vizsgálati módszerei" témájú 12. projekt felelőse. Témate­ rülete a MOS integrált áramkör technológiai op­ timalizálása, hibafizikai jelenségek azonosítása, a tervezés és a technológia közötti kapcsolat vizsgá­ lata. Több nemzetközi és hazai publikáció szerző­ je-

Napjainkban a MOS áramkörtechnológia t e r ü l e t é n egy különleges á t s t r u k t u r á l ó d á s játszódik le. Föld­ rajzilag és gazdaságilag egymástól független egységek tervezik és g y á r t j á k a fogyasztói á r a m k ö r ö k egyre nagyobb h á n y a d á t . A csak MOS technológiai folya­ matot á r u b a bocsátó „silicon foundy" és a t e r m é k tervezését, mérését, a l k a l m a z á s á t végző m é r n ö k ­ iroda k ö z ö t t i szerződéses kapcsolat fontos s a r k k ö v e lesz a t e s z t á b r a vizsgálat. T e s z t á b r a vizsgálattal m e g h a t á r o z h a t ó az adott technológiai sorra jellemző tervezési p a r a m é t e r e k és geometriai szabályok összessége, és ugyanezen teszt­ á b r a vizsgálatokkal ellenőrizhető, hogy azok telje­ sülnek-e. T e s z t á b r a vizsgálatokkal válik m é r h e t ő v é a technológiai folyamattal generált szisztematikus és véletlenszerű h i b á k összes jellemzője. Az á r a m k ö r t e r v e z é s h e z h a s z n á l t szimulációs prog­ ramok numerikus modellel írják le a realizált eszkö­ zöket. A modellparaméterek extrakciója optimalizált mérési eljárások kidolgozását igényeli [7, 8, 9]. C i k k ü n k b e n v á z l a t o s a n ismertetjük a tesztalakza­ tok kialakítása és a mérési eljárás k ö z ö t t i kölcsön­ h a t á s folyamatos vizsgálatával nyert tapasztalatain­ kat. Bemutatjuk azt a számítógépes programcsomag­ családot, amelynek kifejlesztésével a rendelkezésünk­ re álló számítógéppel vezérelt mérőrendszert a szak­ irodalomból ismert célberendezések és mérőszoftverek képességével felruháztuk. A p é l d a k é n t bemutatott mérési e r e d m é n y e k e t új MOS technológiák optimali­ zálása, a MOS g y á r t á s folyamatirányítása, a minőség­ biztosítást segítő hibaanalízis, valamint a tervezési

463

D C m é r ő szubrutinok 1. Alakzat

meghatározott paraméter

Munkapont

Mérés, kiértékelés

Elnevezés

MOST

IDS = const V.ÖS = const V « B = const

V

G

[V]

feszültség beállítás iterációval

„VTU"

MOST

IŰ.S = const Vos = const V S B = const

VG

[V]

feszültség mérés

„VGS AT"

MOST Dióda Kondenzátor

IDS = const V o s = const V S B = const

VDS

feszültség mérés

„BVDSS"

Dióda Kondenzátor

V # = const

IDS

áram mérés

„SZÍV"

Ellenállás (4/2 k i v e z e t é s e s )

I = const Vgs=const VSB = const

R

feszültség mérés

„RES4"

V a n der Pauw alakzat

I = const VGG = const VSB=const

R

feszültség mérés, f ü g g v é n y megoldás

„VDPRS"

Bipoláris tranzisztor

IBE=const VCE = const USE = const

BETA (modellparaméter)

áram mérés

„BETADC"

MOST

VDS = const VSB = const

I s = KVas) karakterisztika mérés, görbeillesztés

„VTHEO"

VGS » VDS

VDS- < :

MOST

[V]

[A]

[ohm]

[ohm/Q]

D

V

T

[V]

,

W

VGS

VDS = const VSB = const

IDS

JfP-^-fAV-2] (modellparaméter)

MOST

VDS «

VGS

gamma [ V / ] (modellparaméter)

MOST

VDS»

VGS

lambda [ V ~ i ] (modellparaméter)

- 1

szabályok és modeliparaméterek meghatározása te­ rületén folyamatosan végzett vizsgálatainkból merí­ tettük. I. A számítógéppel vezérelt mérőrendszer A t e s z t á b r a vizsgáló célberendezés olyan számító­ gépes mérőrendszer, amelynek hardver és szoftver elemei biztosítják a mérés vezérlését, az a d a t g y ű j t é s t , az adatfeldolgozást és a d o k u m e n t á l á s t is. Célszerű a rendszert a szimulációs programok f u t t a t á s á r a al­ kalmas nagyobb k a p a c i t á s ú számítógéphez is illesz­ teni. Berendezésünkben a mérésvezérlést és az adatfel­ dolgozást egy 16 bites miniszámítógép végzi. Az a d a t t á r o l á s t floppy disc, a d o k u m e n t á c i ó t sornyom­ t a t ó és digitálisan vezérelt rajzoló teszi lehetővé. A számítógép egy a vele felülről kompatibilis megamini számítógéphez is illesztve van. A jelgene­ ráló és mérőműszerek, valamint az automatikus m ű ­ ködésű t ű s m é r ő vezérlése I E E E 488 illesztéssel tör­ ténik. A K e l v i n m á t r i x az összesen 30 mérőpontot,

464

táblámt

2

=

{(GGS)

karakterisztika mérés, görbeillesztés Va» = / ( V s B ) karakterisztika, görbeillesztés IDS

=

„GM"

„BEFF"

1(VDS)

„LAMBDA"

karakterisztika, görbeillesztés

4 programozható feszültséggenerátor, 1 programoz­ h a t ó áramgenerátor, valamint a digitálisan vezérel­ h e t ő á r a m - és feszültségmérők k ö z ö t t kapcsolja. Spe­ ciális, kiskapacitású relémátrix k ö t i össze a kapacitás­ mérő m ű s z e r t az á r n y é k o l t kézi tűsmérővel és a ge­ nerátorral. Ugyancsak jól á r n y é k o l t kézi tűsmérő szolgál a k i s á r a m ú mérésekhez. A mérőrendszer F O R T R A N nyelven programoz­ h a t ó . A mérőprogramok kifejlesztése sok évet vett igénybe. A MOS t e s z t á b r á k alakzatainak DC vizsgálatára, a p a r a m é t e r e k m e g h a t á r o z á s á r a szabványos mérő szubrutinokat használunk. A mérőszubrutinokat egy interaktív univerzális m é r ő p r o g r a m hívja. Az indirekt vezérlő file írja elő a pinkiosztást, a mérőkapcsolást az aktuális munkapontot, a vizsgálat változó para­ métereinek h a t á r é r t é k e i t . Az eddig kifejlesztett m é r ő s z u b r u t i n o k a t az I . t á b l á z a t b a n foglaltuk össze. A m é r ő s z u b r u t i n az elektronikus eszközökön, a mérés előtt kontroll vizsgálatokat végez. A kontroll vizsgá­ latokkal azonosított hibajelenségeket számkód for­ m á j á b a n az eredményhez írja. Fatális hibák (pl. zárlat) esetében a mérést nem is végzi el. Híradástechnika

XXXVI.

évfolyam

1985. 10.

szám

Az adatokat t o v á b b i adatfeldolgozás céljából a m é r ő p r o g r a m b a n előírt formában floppy discen t á ­ roljuk. Az univerzális DC mérőprogramon kívül kifejlesz­ t e t t ü n k speciális m é r ő p r o g r a m o k a t MOS fizikai vizs­ gálatokhoz (kapacitás—feszültségmérés, t ö l t é s p u m ­ pálás-mérés, k v á z i s t a t i k u s C—V mérés stb.). Ezek­ nek a m é r ő p r o g r a m o k n a k egy része csak mérési a d a t g y ű j t é s t végez, a kiértékelő számításokat a nagykapacitású számítógépen futó F O R T R A N prog­ ramok biztosítják.

2. A teszlchipet felépítő szabványos modulok és szabványos paraméter meghatározások Egy MOS L S I á r a m k ö r gyártási know-how-jának szerves része a tesztchipen kijelölt alakzatok szab­ ványos vizsgálatával m e g h a t á r o z o t t p a r a m é t e r é r t é k v á r h a t ó értéke és elfogadási h a t á r a . A g y á r t á s i sze­ leten megadott helyre helyezik el a tesztchipet. Te­ kintettel arra, hogy a maszkkészítés folyamán a tesztchip illeszkedése — esetleg a rétegek m é r e t t o r ­ zulása is — az á r a m k ö r é t ő l eltérően alakulhat, az á r a m k ö r i chip szélén is elhelyeznek tesztalakzatokat (pl. a minimális m é r e t ű eszközöket, i l l . illeszkedést mérő alakzatokat). A tesztchip tervrajza á l t a l á b a n a technológia optimalizálását megelőzően megszületik és végig­ kíséri a technológia egész életgörbéjét a g y á r t á s k i ­ halásáig. A tesztchip tervezése ezért igen nagy hozzá­ értést és k ö r ü l t e k i n t é s t igényel. Az NBS ajánlásban szereplő 2 x 1 0 tappancs el­ rendezésű tesztmodulok tervrajzából c e l l a k ö n y v t á r a t hoztunk létre a tervezőrendszer számítógépén [10]. Ezekből a különböző rétegszerkezetű, maszksorrendű MOS technológiákkal kompatibilis tesztmodulokat a k o n k r é t tesztchip tervezésekor alakítjuk k i . A teszt­ modulok felhasználásával k é s z í t e t t „ C T " tesztchipet alkalmaztuk a Si-gate CMOS technológia, a „ D U P O " tesztchipet az NMOS technológia távközléstechnikai célú optimalizálására. A különböző vezető rétegek és a rétegekből kiala­ k í t o t t kontaktusok vizsgálatára az 1. á b r á n bemuta­ t o t t tesztmodul szolgál. A rétegellenállást a n é g y t ű s alakzaton Van der Paw méréssel vizsgáljuk. A kon­ taktusellenállást a h a t t ű s alakzaton m é r h e t ő ellen­ állások kombinációjából számítjuk [4]. V a n der Paw alakzaton vizsgáltuk például a k é t ­ rétegű poliszilícium rétegszerkezetben a poliszilícium rétegek ellenállását. A 2. á b r á n erre m u t a t u n k be példát. A h a t t ű s alakzattal vizsgáltuk a fém-szilícium kontaktus elektromos viselkedését. Erre mutatunk be p é l d á t a 3. á b r á n . A t ö b b szinten futó vezető rétegek egymás k ö z ö t t i k o n t a k t á l á s a és az eltemetett alakzatok lépcsőket eredményeznek a felületen. A lépcsőket fedő szige­ telő vagy vezető rétegek vastagság homogenitása a gyártási kihozatal és a minőségbiztosítás kulcskér­ dése. A jelenség vizsgálata p a r a m é t e r ellenőrzéssé k o n v e r t á l h a t ó megfelelő alakzatok k i a l a k í t á s á v a l . Célszerű a kontaktus és a lépcsőfedés v i z s g á l a t á t külön-külön alakzaton végezni. A lépcsőn elvéko­ nyodó vezető réteg ellenállásváltozását sok alakzat Híradástechnika

XXXVI.

évfolyam

1985. 10.

szám

13

IH73-1 |

1. ábra. R é t e g e l l e n á l l á s t és k o n t a k t u s e l l e n á l l á s t m é r ő teszt­ ábra tervrajza. E g y s z a b v á n y o s 2 x 1 0 tappancsos tesztmo­ dullal k é t k ü l ö n b ö z ő r é t e g m i n ő s í t h e t ő

sorba kapcsolásával, az elvékonyodó szigetelő réteg átvezetését sok alakzat p á r h u z a m o s kapcsolásával tesszük m é r h e t ő v é . Még a viszonylag kisebb komple­ xitású Si-gate á r a m k ö r ö k b e n is annyi a lépcső és a kontaktus, hogy a t ö b b száz alakzat összekapcsolása esetében is csak a legnagyobb valószínűséggel elő­ forduló h i b á k a t észleljük a gyártási szeleteken el­ helyezett n é h á n y tesztchip vizsgálatával. A m e g m u n k á l t szeleten k i a l a k í t o t t integrált á r a m ­ k ö r b e n a szivárgó á r a m forrásának azonosítása, para­ metrikus jellemzése, a t e s z t á b r á v a l t ö r t é n ő vizsgálat sarkalatos pontja. A tesztchip tervezésekor figyelembe kell venni a mérési módszerek érzékenységet és az alakzatokon halmozódó hibajelenségek h a t á s á t . A n a g y m é r e t ű k a p u v e z é r e l t diódák a k t í v és parazita tranzisztorok áram—feszültség k a r a k t e r i s z t i k á j á n a k p a r a m é t e r e i a rétegszerkezet jellemzését szolgálják. Areális geomet­ riák h a t á s á t k ü l ö n alakzaton kell vizsgálni. A korszerű töltéskapcsolás elvén m ű k ö d ő NMOS á r a m k ö r ö k m ű k ö d é s é t m á r olyan kis értékű á r a m ­ szivárgás valószínű előfordulása is lehetetlenné teszi, ami DC p a r a m é t e r méréssel ö n m a g á b a n nem detek­ t á l h a t ó . A technológia erre vonatkozó optimalizálása integrált elektrométert t a r t a l m a z ó tesztmodullal lehetséges [12]. H a s o n l ó a n specifikus probléma a CMOS á r a m k ö r ö k b e n fellépő latch-up jelenség. A spe­ ciális latch-up mérő alakzatokon vizsgáljuk a parazita jelenségeket eredetük szerint [11]. A jól ismert MOS fizikai vizsgálatok elsődlegesen nagy felületű MOS kapacitások kialakítását igénylik.

465

*E 3.23"

0% • *

1

.1.0% • •

207. • +

3.25 "X.

Ohm

'•> A

o • rf!o• 3.28 • 3.29 * 3,31. 3 . 32 • 3 , 34 ** 3.35 • & 4 ^ ffi. ^ 3 . 3 7 i *** 3 , 3 8 :******** 3 . 4 0 :************** 3 . 4.1. :***************** 3 . 4 2 :******************** 3 . 4 4 :************** 3 . 4 5 :**************** 3 . 47 t * * * * * * * * * * * • 3,49 + 3,50 + 3,52 * 3.53 • * ADATOK SZAMA? 1 4 6 3.26" 3,28" 3.29" 3,3.1." 3,32" 3,33" 3,35" 3,36" 3,38" 3 ,40" 3 ,41." 3,42" 3,44" 3,45" 3.47" 3,48" 3,50" 3,51."

H73-2a

i 10 ~

i i

H 5

.

A

i i i

XB 0 '

H73-3

3. ábra. K o n t a k t u s e l l e n á l l á s - m é r é s az 1. á b r á n l á t h a t ó alak­ zattal: a befejező t e c h n o l ó g i a i m ű v e l e t e k h a t á s a az A l - n kontaktus ellenállás értékére. „ A " az ellenállás é r t é k é s szó­ rása egy szeleten a b e ö t v ö z é s u t á n , „ B " az ellenállás értéke és szórása a h o s s z ú i d e j ű v é d ő ü v e g l e v á l a s z t á s u t á n +

«:

i

2 < 8 •'!' 2 , 8 6 2,86'" 2 , 8 7 2,87" 2,88 2 , 8 8 " ' . . V í*'t 2,90" 2, 9 1 2,91." 2 , 9 3 2,93" 2,94 2 , 9 4 " 2 , 96 2,96"" 2 , 9 8 c> o ••*•••

2,99" 3.00"' 3,02" 3,04" 3,05" 3 .07" 3,08" 3,1.0" 3 , 1. 1." 3,12" AD A'? OK

OZ i

1.0% i

20% t

; i x

;* ;*** l************* t** * * * *

***************

í*************** t* * * * * * **********

3 . 0 0 :*************** 3 , 0 2 ?******* 3 , 0 3 i***** 3 , 0 5 t *** 3 , 0 7 $ ** 3,08 ; * 3 , 1. 0 3,11 ; * 3 , 1.2 * 3 , 14 i * SZAMA? 1.44

H73-2b 2. ábra. R é t e g e l l e n á l l á s - m é r é s az 1. á b r á n l á t h a t ó V a n der Pairw alakzattal: egy k e t t ő s p o l i s r é t e g s z e r k e z e t ü N M O S szeleten m é r t p o l i s z i l í c i u m rétegellenállás é r t é k e k eloszlása a) Termikusan o x i d á l t alsó poliszilícium r é t e g ; b) F e l s ő poli­ szilícium réteg

Az á r a m k ö r i szeleten végzett MOS fizikai vizsgálato­ kat nehezíti a felületközeli adalékprofil h a t á s a , amely a korszerű MOS technológiákban a nyitófeszültség ionimplantációval t ö r t é n ő beállítása során alakul k i .

466

A mérési feltételek viszonylag nagy felületű kapacitás k i a l a k í t á s á t igénylik. Ugyancsak k o n d e n z á t o r alakzaton célszerű a k ü ­ lönböző szigetelő rétegek — elsősorban oxidrétegek — átvezetésvizsgálata [13]. A geometriai tervezési szabály, valamint a modellp a r a m é t e r e k meghatározása az a k t í v tranzisztorok különböző geometriai kombinációját igényeli. A laterális diffúzió h a t á s á r a létrejövő oldalméret­ változás azonos hosszúságú és különböző szélességű, illetve azonos szélességű és különböző hosszúságú MOS tranzisztorok vizsgálatával h a t á r o z h a t ó meg. A tervezési modellparaméterek meghatározását követően azokat verifikálni kell. A verifikációhoz a tesztchipen k i a l a k í t o t t g y ű r ű s oszcillátor működésé­ nek számítógépes szimulációja és elektromos vizsgá­ lata szükséges [9].

íí. DC páramétermérés és statisztikus adatfeldolgozás a M E V T E S Z T programcsomaggal A MEVTESZT univerzális i n t e r a k t í v DC p a r a m é t e r ­ mérő és kiértékelő programcsomag. Négy F O R T R A N programból áll. Blokksémája a 4. á b r á n l á t h a t ó . A mérőprogram — mint ahogy azt m á r említettük — egy adott kapcsolást és méréssorozatot előállító szubrutinok hívását végzi. A m é r ő p r o g r a m o t indirekt file vezérli. Az indirekt vezérlő file tartalmazza a hívás sorrendjében az egyes mérőszubrutinok be­ menő paramétereit. A b e m e n ő p a r a m é t e r e k definiál­ j á k a pinkiosztást, a polaritást, és a mérési feltétele­ ket, beleértve a változó p a r a m é t e r e k határértékeit. Híradástechnika

XXXVI.

évfolyam

1985. 10.

szám

MEVTESZT Interaktív paraméter vizsgáló programcsomag

Mérés vezérlés é s kiértékelés ,MEROPR"

'ndirekt vezérlő file

Tesztábra

Mért adatok tárolása

,, PRINTH'

MAP "

Indirekt vezérld file

..TREND'

Statisztikus adatfeldolgozás

Szelet térkép

Trendanalizis

4. ábra

A mérőprogram a h í v o t t szubrutin k i m e n ő a d a t á t floppy discen tárolja. A mérési adatok d o k u m e n t á l á s á t és elsődleges statisztikus adatfeldolgozását a P R I N T H n y o m t a t ó program végzi. Ezt a programot is az indirekt file vezérli. Az indirekt fiiéban minden egyes mérőszub­ r u t i n hívásához hozzárendeljük a kiértékelésnél fel­ használt k é t elfogadási h a t á r é r t é k e t . Ezek a beépített h a t á r o k a P R I N T H hívásakor tetszőleges értékre v á l t o z t a t h a t ó k . A program kívánságra kinyomtatja az adatfile-ban levő mérési adatokat is, de minden esetben kiszámolja az elfogadási h a t á r o n kívül eső adatok s z á m á t , és az elfogadási h a t á r o n belül eső adatok átlagértékét, szórását; kiválasztott p a r a m é t e r elfogadási h a t á r o n belül eső értékeit hisztogramban ábrázolja. P é l d a k é n t az 5. á b r á n k é t különböző elfogadási h a t á r k ö z ö t t kiértékelt adatfile hisztop r o g r a m j á t mutatjuk be. A kiugró értékek esetleges szisztematikus hely­ függése t á r h a t ó fel a t á r o l t a d a t o k b ó l utólagosan r e k o n s t r u á l t helyzetjelöléssel. A M A P program az indirekt vezérlő file segítségével kiválasztja a k é r t p a r a m é t e r t , majd a benne t á r o l t tesztchip t é r k é p hívásával a s o r n y o m t a t ó n vázolja az egyes tesztchipekhez t a r t o z ó érték kódját. A program a kiérté­ kelési h a t á r t 8 részre osztja, és ábrázolja az alulról és felülről kieső értékekhez tartozó tesztchip helyze­ t é t . A z utólagos térképezés akkor is elvégezhető, ha az adatfile sok egymás u t á n m é r t szelet adatait tar­ talmazza. A M A P programmal végzett hibaanalízisre a 6. á b r á n mutatunk be példát. A vizsgált szeleten Híradástechnika

XXXVI.

évfolyam

19H5. 10.

szám

kereszt alakban elhelyezett t e s z t á b r á n a nyitó­ feszültség eloszlás minden a k t í v és parazita tranzisz­ toron, MOS kapacitáson, r e k o n s t r u á l h a t ó volt, csak épp m á s és m á s m é r t é k b e n . Az, hogy a hibás p a r a m é t e r véletlen hibából vagy szisztematikus műveletbeállítási problémából ered, a m é r t t e s z t á b r a p a r a m é t e r e k trendvizsgálatából lehet feltárni. A T R E N D program az indirekt vezérlő file-ban megadott nevű és sorrendű adatfile halmaz­ ból p a r a m é t e r trendanalízist végez. A program hívásakor m e g h a t á r o z h a t ó a k í v á n t p a r a m é t e r , újra definiálható a b e é p í t e t t kiértékelési h a t á r . A T R E N D program a h a t á r b ó l alulról vagy felülről kieső értékek az adatfile-ban t á r o l t összes értékre vonatkoztatott százalékos a r á n y á t és az elfogadási h a t á r o n belül eső értékek á t l a g á t , szórását ábrázolja az azonosító n é v függvényeben. A 7. á b r á n egy MOS technológia kísérleti gyártási időszakának t e s z t á b r a p a r a m é t e r m é r é s e n alapuló trendanalíziséből muta­ t u n k be egy p é l d á t . A m é r t p a r a m é t e r a termikus vastagoxid elektromos viselkedését minősítő „polis parazita" tranzisztor nyitófeszültsége. A 7a á b r á n az á r a m k ö r m ű k ö d é s é t kizáró érték előfordulási való­ színűségét á b r á z o l t u k az egyszerre előállított szele­ tekre (partik) vonatkoztatva. A 7b á b r á n az egyes partikon m é r t nyitófeszültségek közül az elfogadási h a t á r o n belül eső értékek á t l a g á t és szórását ábrázol­ t u k . A k i m u t a t o t t szisztematikus hibajelenség m ű v e ­ letbeállítási módosítással s z ű n t meg. A később fel­ b u k k a n ó hiba egészen m á s eredetű, véletlen hiba­ jelenség.

467

;*****

0,50" o»52O .55" 0,57" 0, 60" 0,62" 0,65" 0,68"

0 . 5V 0, 60 0,62 0.65 0 . 68 0 , 70

i ******************* t********** t

0, 70" 0. 7 3 " 0 , 75"

0 , 72 0.75 0. 77

:*****

0, 52 0,55

0,78" 0 . 80 0,80" 0.82 0. 0 3 " 0, 85 0,85" 0.87 0 . 8 7 " 0 . 90 0 . 9 0 " 0. 93 0 . 9 3 " 0. 95 0. 95" 0.98 0 , 9 8 " 1. . 0 0 ADATOK

8 8 A 8 8 8 8 7 6 5

1

**********

,

:********** t

1 2

**************

:******************* :********** * \1/

\l/ vi/ vl/ "J/

•C- &

&&

; *

* +

A 1

*

+

22

I O X

3 4 5 6 7 8 F

0 . 0 5 : * # * # * * * * # * * * * * * * * # > K * * * * - f * * ' f *-f o . 10 ; .

o . i o "

o , i 5 ; * *

o . i s "

o . 2 0

0 0 0 0

o.25 i * * * * 0 . 3 0 ! * * 0 . 3 5 *** 0 . 4 0 !**

0 . 5 5

í*****

o . 6 o

: * * * * * * * * * *

o . é s : 0 . 7 0 i * * * * * * * * *

0,65" e . / O "

0 . 7 5

0.75" o.tlO"

0 . 8 0 : * * * * « 0 . 8 5 :

o.m* a . yo"

0.

'75"

Al'AlllK

:

o. V5 I . oo

:

B/flhA!

: 60

I U T 3

c

K

5. óí>/'a. T e s z t á b r a p a r a m é t e r e k statisztikus kiértékelése v á l ­ t o z t a t h a t ó elfogadási h a t á r o k k a l ; a MOS tranzisztor n y i t ó f e ­ s z ü l t s é g eloszlása egy h i b á s partiban hisztogram f o r m á j á b a n kiértékelve. a) A kiértékelési h a t á r o k a t e c h n o l ó g u s s z á m á r a előirt elfo­ gadási h a t á r o k ; b) A kiértékelés alsó h a t á r á t a mérés elvi határáig k i h ú z v a . ( V G S A T mérés)

A. DC paraméter eloszlás vizsgálat TÉRKÉPEZŐ programcsomaggal A T É R K É P E Z Ő programcsomag egy szelet automa­ tikus p a r a m é t e r térképezését biztosítja. A program­ csomag blokksémája a 8. á b r á n l á t h a t ó . A programcsomag kidolgozásának legnagyobb nehézsége az adott hardver k o r l á t a i n a k k o m p e n z á l á ­ sa volt. Ez a programcsomag is az I . t á b l á z a t b a n összefoglalt mérőszubrutinokból összeállított DC vizsgálatokat végzi. A mérések s z á m á t részben a

468

* * * * • • * • * *

ERTEK <

<= MERT E R T E K < < = MERT E R T E K < <= MERT ERTEK <

<-

MERT

ERTEK <

<= MERT E R T E K < <= MERT ERTEK <

<<=

MERT E R T E K < MERT ERTEK < <= MERT E R T E K

-3.800 -3.175 -2.550 -1-925 -1.300 -0.675 -0.050 0.575 1.200

H73-6

E

: * * * * * * * * *

0 . 9 0

f

;

-3.800 -3.175 -2.550 -1.925 -1.300 -0.675 -0.050 0.575 1.200

6. ábra. A t e s z t á b r a p a r a m é t e r e k esetleges h e l y f ü g g é s é n e k u t ó ­ lagos r e k o n s t r u k c i ó j a t e s z t á b r a v i z s g á l a t o n alapuló hibaana­ lízis segítésére: egy különleges s z e n n y e z ő d é s rekonstruálása egy nagy f e l ü l e t ű n ö v e k m é n y e s N M O S tranzisztor n y i t ó f e ­ s z ü l t s é g é r t é k e s e g í t s é g é v e l . A helyes é r t é k a „ 8 " kategória. g y - e g y k a t e g ó r i a ugrás kb. 1 0 / c m p o z i t í v o x i d t ö l t é s n ö ­ v e k e d é s t jelent az e l ő z ő k a t e g ó r i á h o z k é p e s t

:** : * * * * * * *

O . A O "

MERT

»

0

: * * * «

0 . 5 5 "

*

• * *

,, v

./TI.

0 .l'0~ o.o'j-

0.50"

3 2 1 2

*

SZAMAí

0 . 4 5 o . s o

F F F 4 4

• + +

ox

0.40" 0 . 4 5 "

F F F F F F F 2

H 73-5a

. 20" . 2 5 " .30" .35"

2 3 3 4 4 4 4 5

u

2

vizsgálat időigénye, részben az adattárolás lehetősé­ gei korlátozzák. A T É R K É P mérőprogram a m é r t adatokat floppy discen tárolja. A t á r o l t a d a t o k b ó l a P R I M A P nyom­ t a t ó program dokumentálja az összes m é r t p a r a m é ­ t e r é r t é k s t a t i s z t i k u s á n feldolgozott adatait az el­ fogadási h a t á r o n belüli értékek hisztogramját, és végül a szelettérképet. A szelettérkép az elfogadási h a t á r o n belüli t a r t o m á n y t 6 egyenlő részre osztja. A t é r k é p az adott é r t é k t a r t o m á n y kódját jeleníti meg. Az elfogadási h a t á r o k a t az indirekt vezérlő file tartalmazza; ismételt kiértékeléskor többször is változtatható. P é l d a k é n t egy NMOS á r a m k ö r i szeleten végzett tervezési p a r a m é t e r eloszlás vizsgálatból a mélykiürítéses, hosszú, keskeny terhelő tranzisztor mere­ dekségét v á l a s z t o t t u k . A 9a ábrán a hisztogram, a 9b á b r á n a szelettérkép l á t h a t ó .

5. MOS tranzisztor modellparaméter meghatározás A számítógéppel segített áramkörtervezés kétféle adathalmazzal dolgozik: az adott technológiára vo­ natkozó geometriai szabálygyűjteménnyel és az Híradástechnika

XXXVI.

évfolyam

1985. 10.

szám

F

70

I L

áramkörszimulációs programba b e é p í t e t t numerikus eszközmoclellek adott technológiára vonatkozó be­ m e n ő p a r a m é t e r e i v e l . M i n d k é t adathalmaz m e g h a t á ­ rozása, rendszeres ellenőrzése a t e s z t á b r á v a l t ö r t é n ő vizsgálatok szerves része. A geometriai tervezési s z a b á l y o k a t részben a réteg­ szerkezet fizikai jellemzői, részben a technológiai berendezések, eljárások képessége korlátozzák. A csíkszélességek, távolságok, átlapolások megengedett minimális m é r e t é n e k m e g h a t á r o z á s a is n a g y s z á m ú mérés megfelelő adatfeldolgozása a l a p j á n lehetséges. Az adatfeldolgozáskor a funkcionális m ű k ö d é s alap­ feltételén t ú l a g y á r t á s i kihozatal és a megbízhatóság szempontjait is figyelembe k e l l venni. Az á r a m k ö r működésében szerepet játszó eszközök m é r e t v á l a s z t á s á t áramkörszimulációs számításokkal kell a l á t á m a s z t a n i . Az áramkörszimuláció pontossága rendkívüli m é r t é k b e n függ az alkalmazott numerikus eszközmodellek és a hozzájuk rendelt b e m e n ő p a r a ­ m é t e r e k pontosságától. A modellparaméter meghatározása a kiválasztott eszközmodell és a reális eszköz elektromos karakte­ risztikáinak megfeleltetését jelenti. A MOS modellparaméterek m e g h a t á r o z á s á b a n el­ sődleges fontosságú az elektromosan a k t í v m é r e t e k és a geometriai méretek k ö z ö t t i kapcsolat tisztázása. A névleges és az elektromosan a k t í v csatorna hossz és szélesség méreteit azonos szélességű és eltérő hoszszúságú, illetve azonos hosszúságú és eltérő széles­ ségű MOS tranzisztor sorozat p a r a m é t e r vizsgálatá­ val nyerjük. Az egyes tranzisztorok átviteli karakte­ risztikájából m e g h a t á r o z o t t meredekség érték az elektromosan a k t í v szélesség—hossz a r á n y lineáris függvénye. P é l d a k é n t a 10. á b r á n bemutatjuk egy NMOS növekményes tranzisztoron a laterális irányú oxidáció

•10

NOOIAO: NOOSAO: NOIIAO:

43. /í, 7ÍÍ.O0 50.00 ; Í : Í .33 34. 37 75.00 33.33 .0.00 0.00

NOl?AO:******************#**í N027AO

.* + * * ) ! . * * * *

* * *

N030A0 I **************:>:**

N O * 1 A O : * * * * * * * * * * * * * * * * *

N 0 3 2 A 0 : * * * * * * * * * * * * * * * * * * * ia.,*****:*it-'ií* * * * * * * N 0 4 0 A O I * * * * * * * * * * * * * * * * * N049A0I

N054A0: Nl.'i'/AOi

0.00 0.00 0.00

N25VA0J

N069A0. N073A0! N075A0I N Ö 7 6 A O . * * * N090A0-

PARTI

FILE

0.50

0 . 9 0

,0 #:I0** 1

.1.-30

NÖ01A0

17.844 U 9 .11 .949 10.3) <) :l. 0.650 10.571 5 n 1.0 .08/ J. 2. 21 íj 0 .000

N005AO N011AO N019AO N027A0 N029A0 N030A0 N03J.A0

X*X X-*-X X

N032AO N040AO NQ4 9 A O N0C4AO

N.l 5 9 . 1 0 N259A0 N0Ó9A0 N073A0 N075AO

N07íi=i0

20.47U 1Ü.7ÖJ

N090A0 NŰ95A0 N096A0

ÍH73-Tbl 7. ábra. T e s z t á b r a p a r a m é t e r e k k e l v é g z e t t t r e n d a n a l í z i s : a vas­ tagoxid m i n ő s é g é r e j e l l e m z ő polis parazita tranzisztor n y i t ó ­ feszültség v á l t o z á s a egy i d ő s z a k b a n . A t r e n d a n a l í z i s egy parti­ ból m é r t t e s z t á b r a p a r a m é t e r e k statisztikus a d a t f e l d o l g o z á s á n alapszik. a) A z el nem f o g a d h a t ó é r t é k e k százalékos a r á n y a az egyes partikban; b) A z elfogadott é r t é k e k átlaga és szórása az egyes partikban

TÉRKÉPEZŐ PARAMÉTERELOSZLÁS

VIZSGÁLÓ

PROGRAMCSOMAG

Mérésvezérlés é s kiértékelés „TÉRKÉP"

Indirekt vezérlő file

Tesztábra

y Mért

adatok

tárolása

„ PRIMAP"

Statisztikus adat feldolgozás Hisztogram Szelettérkép

H72-5 8.

Híradástechnika

XXXVI.

évfolyam

1985. 10.

szám

ábra

469

3.15" 3.2^* 3.30' 3.38" 3.45" 3.53* 3.60* 3.67" 3.75" 3.83" 3.90' 3.98" 4.05* 4.13" 4.20*

Grl ( W ) F Ü G G V É N Y W TENGELYMETSZE1E= 0.11838E+01

3.08 3.15 3.23 3.30 3.38

X E + 01 :*** :*** **

3.45 3.53 3.60 3.68 3.75 3.83 3.90 3.98 4.05 4.13 4.20 4.28

***************

4 .35 4.42

4.80" 4.88" 4.95" 5.03" 5,10" 5.18" 5.2S" S.33" 5.40" 5.48"

"t . 0

******* ******** :************ : ************ • ******************** ;*********************** *****************+***** ***************

******** * **

0 . 0. 0 . 0

5.18

•5.32 5.40

5.93" MAMA!

x E + 01

W

6,í. 341

|H73-9al

L

3 , 000 3,500 4,000 4 ,500 5,000 5.500 6 , 000 FFXXXX* 0XXXFF8X***** 0X X XXXXX * X****# F*FFFFFFF**0F*F XXXXXXXX* * * F F F F F 0 A X X XX XXX X* * * * * * F * * * * * XX*****F*FIS00000000** XXXXXX*****0flr00000000** XXXXXFF*****00*00000** OXXXX*XX****0000000**** OAFXFXX**** *F0000F F * F * O»F**F*IIF*FFtlt*00000****X ÜXXXXXXX**H0ÍF*F*FFFFF** OXXXXXXX***********F*F*X XXXXXX * * * **0*F*F OX X X X * * * * * * * * « * * * * * : * . X 0 X X X X X X * * * * F F- #•* * X * * * X 0 Ü X X X X X F X F F f F F1- * FI-! :•• FXXXXX*********!"*** 0XXX*X********* 0XXX.XX*****X* XXXXXXX

H73 - 9 b 9. ábra.

D C p a r a m é t e r t é r k é p : egy m é l y k i ü r í t é s e s t e r h e l ő W tranzisztoron m é r t GM = (iCon-j- tranzisztor m o d e l l p a r a m é t e r e l o s z l á s a egy N M O S szeleten. a) A m é r t é r t é k e k hisztogramja; b) A m é r t é r t é k e k eloszlása a szeleten

470

. 0

10. ábra. A z elektromosan e f f e k t í v csatorna szélesség megha­ t á r o z á s a : A tervezett és a v a l ó s á g o s m é r e t k ö z ö t t i k ü l ö n b s é g a GM = f(W) f ü g g v é n y tengelymetszete. AW m e g h a t á r o z á s a egy N M O S szeleten

tírtttKP/us A 3 , 0 0 0 - :o< 3 , 5 0 0 - :x< 4 , 0 0 0 - :*< 4 , 5 0 0 - .0-: 5 . 0 0 0 : ;»< 5 , 5 0 0 * :•< 6 . 0 0 0 - :i-

0 . 5

5 . 4 7 5.62 5.70 5.78

ADA1UK

2.0.

o

*********

4.50 ' 4.57 4.65 4 .72 4.80 4.88 4.95 S. 03 5.10

GM* K - 1 i L ) FÜGGVÉNY TENGELYMETSZETE0.33725E+01

0.0

0.5

XE+01 | H73-11 |

L

11. ábra. A z elektromosan e f f e k t í v csatorna h o s s z ú s á g meg­ h a t á r o z á s a : a tervezett és a v a l ó s á g o s m é r e t k ö z ö t t i k ü l ö n b s é g a GM' = f(L) f ü g g v é n y tengelymetszete. AL m e g h a t á r o z á s a egy N M O S szeleten 1

és diffúzió k ö v e t k e z t é b e n k i a l a k u l ó szélesség torzu­ lás m e g h a t á r o z á s á t . A G M = f ( W ) függvény W ten­ gelymetszete a szélesség t o r z u l á s a a tervrajz méretei­ hez k é p e s t . A l i . á b r á n ugyanezen tranzisztor effek­ t í v hossza és a rajzolt m é r e t k ö z ö t t i különbséget ha­ t á r o z t u k meg. A m é r e t k ü l ö n b s é g a GM^^fiL) függvény L tengelymetszete. Ez az érték az oldal­ diffúzió és a k é m i a i m a r á s o l d a l m é r e t v á l t o z t a t á s á t tartalmazza. H a a függvényt a szeleten optikai ú t o n m é r h e t ő Híradástechnika

XXXVI.

évfolyam

1985. 10.

szám

• II

DR. ERDÉLYI KATALIN 1970-ben az ELTE TTK fizikus szakán diplomá­ zott. 1970 — 73 között az Országos Onkológiai In­ tézet sugárfizikai osztá­ lyán dolgozott. 1973-tól a HIKI-ben először a bi­

poláris eszközök fizikai problémáival foglalkozott, elsősorban az arany ada­ léknak az elektromos pa­ raméterekre gyakorolt ha­ tását vizsgálta. 1979 óta a MOS technológiai el­ lenőrző osztályon a MOS eszközök fizikai vizsgála­ tával foglalkozik. 1981ben megvédett műszaki doktori disszertációjának témája „Lavinainjektált töltéshordozók befogadá­ sának vizsgálata a SÍO2 rétegben". 1981-től fő te­ vékenységi területe a CMOS áramkörök esz­ közfizikai tervezése és technológiai optimalizá­ lása. 1983 óta a BME Elektronikus Eszközök Tanszéken oktat. Több nemzetközi és hazai pub­ likáció szerzője.

SERES Tanulmányait ten végezte.

Budapes­ Diplomáját

A mélykiürítéses tranzisztor leírása sem kielégítő az egyszerű n ö v e k m é n y e s MOS tranzisztor modellel, ha az á r a m k ö r i funkció kihasználja az eszköz m ű ­ ködési jellemzőit (pl. erősítő kapcsolások). Egy mély­ kiürítéses tranzisztort leíró numerikus modellt v á ­ lasztva az irodalomból [14], t a n u l m á n y o z t u k a mo­ d e l l p a r a m é t e r m e g h a t á r o z á s h a t á s á t a modell pon­ tosságára. A 13. á b r á n , egy keskeny hosszú mély­ kiürítéses terhelőtranzisztor m é r t és s z á m í t o t t k i ­ m e n ő k a r a k t e r i s z t i k á j á t hasonlítjuk össze.

csíkszélességre vonatkoztatjuk, az elektromosan ak­ t í v oldaldiffúzió é r t é k é t nyerjük. A rétegszerkezetre jellemző elektromos modellp a r a m é t e r e k e t a tranzisztoron m é r t karakteriszti­ k á k r a illesztett görbékből h a t á r o z z u k meg. A görbe illesztés a legkisebb négyzetes eltérés elvén alapszik. A növekményes MOS tranzisztor működésének le­ írására egyszerűbb és bonyolultabb numerikus model­ lek sokasága ismert. A hosszúcsatornás MOS tran­ zisztorokat a legáltalánosabban a Schichman— Hodges numerikus modellel írják le az á r a m k ö r ­ szimulációs programok. A megfelelő m o d e l l p a r a m é t e r m e g h a t á r o z á s á t a T R A N Y O m é r ő p r o g r a m végzi (12. á b r a ) . A rövidcsatornás h a t á s o k leírása legcélszerűbben félempirikus MOS modellekkel lehetséges. A rövid­ csatornás h a t á s o k megfelelő figyelembevétele a modellparaméterek geometriafüggésénak vizsgálatát is igényeli. A fejlesztés alatt álló M E V F I T program­ csomag 3—4 u.m-os t a r t o m á n y i g jól h a s z n á l h a t ó fél­ empirikus modell p a r a m é t e r m e g h a t á r o z á s á t végzi majd.

MOS

MIHÁLY

az ELTE fizikus szakán szerezte meg 1978-ban. 1978-tól a MEV jog­ elődjénél, a HIKI-nél kezdett el dolgozni a fél­ vezető fejlesztés technoló­ giai ellenőrző osztályán. Tématerülete a MOS esz­ közök fizikai modellezé­ se, és számitógéppel segí­ tett méréstechnika fejlesz­ tése. Több nemzetközi és magyar publikáció szer­ zője.

6. MOS fizikai vizsgálatok számítógéppel segített mérése és kiértékelése A technológia optimalizálása, az á r a m k ö r t e r v e z é s és a minőségbiztosítás nem nélkülözheti a MOS fizi­ k a i modellek felállítását és a l k a l m a z á s á t . A teszt­ á b r á k o n végzett MOS fizikai vizsgálatokhoz is számí­ tógépes m é r ő és kiértékelő programokat fejlesztet­ tünk ( I I . táblázat). A legáltalánosabban ismert MOS fizikai vizsgálatok a MOS tranzisztor gate-jét alkotó rétegszerkezet MOS k a p a c i t á s formájú analízise. A MOS k a p a c i t á s vizsgálatok a k o n d e n z á t o r alak­ zat különböző kapacitás—feszültség k a r a k t e r i s z t i k á i -

fizikai

vizsgálatok 2. Progr arrtnéY

Mérés elve

Alakzat

mérő

Nagyfrekvenciás C — V

MOS

Eredmény kiértékelő

„NSSCV" „CV

MERO"

Kvázistatikus

Kondenzátor

Cox; V Effektív adalékkoncentráció FB

Nss =

Impulzus C—V

/(£)

„PROFIL"

felületi adalékprofil

MOS

Töltéspumpálás

„PMPMER"

„CHARGEPMP"

iVss = / ( £ )

Tranzisztor

Nyitófeszültség alatti l—V karakterisztika

( K é z i mérés)

„NSSTR"

Nss á t l a g

Híradástechnika

XXXVI.

évfolyam

1985. 10.

szám

táblázat

471

nak méréséi, és fizikai modellen alapuló kiértékelését jelenti. A MOS k o n d e n z á t o r nagyfrekvenciás C—V ka­ rakterisztikájából h a t á r o z h a t ó meg az oxidba be­ épült töltés mennyisége és a felületi k i ü r í t e t t réteg maximális szélessége, azaz egy olyan adalékkoncent­ ráció-érték, amely homogén felületi eloszlás esetében azonos mélységű k i ü r í t e t t réteget eredményezne. Az impulzus üzemű kapacitás—feszültség görbéből ha­ t á r o z h a t ó meg az adalékeloszlás profil a gate alatt. Az impulzusüzemű kapacitás—idő függvényből ha­ t á r o z h a t ó meg a kisebbségi hordozók é l e t t a r t a m a a szilícium felületén. A k v á z i s t a t i k u s k a p a c i t á s — feszültség görbéből h a t á r o z h a t ó meg a felületi álla­ potsűrűség energia szerinti eloszlása a t i l t o t t s á v k ö ­ zepén [15]. A MOS k a p a c i t á s vizsgálatokat nagy s z á m b a n használják a gyártásközi ellenőrzésben. A 14. á b r á n p é l d a k é n t bemutatjuk egy Si-gate CMOS á r a m k ö r p zseben m é r t felületi adalékprofilját és a felületi

VD=.1

30DY EFFECT V GAMMA = 0A2

++

2 . 0.

i>

L

1.0.

0 . 0J 0 . 0

0 . 5 Vsub

AL=

TRANSFER 8 . 2 5 9 VT=

CH A R A C T ETRI S T I C 1.003 GM = 1 3 9 0 . 0 0 0

1 0

*E>04

0 . 0

Vg

[V]

[HZÍd2.aJ

OUTPUT CHARACTERI5TIC5 LAMBDA= 0 . 1 e S ^ B E - e n /V KE-03

6 . 0

[V] ' [H 73-12 c .1

b)

2 . 0

X E + 01

12. ábra. A Schichman—Hodges n ö v e k m é n y e s MOS tranzisztor modell b e m e n ő p a r a m é t e r e i n e k m e g h a t á r o z á s a görbeillesztés­ sel egy N M O S tranzisztoron. ( G M é s L A M B D A é r t é k e k geo­ metria í ü g g ő e k ! ) <>) IDS = Í{VGS)

« . 0

1

+ ++ +

karakterisztikából:

IDS^KVDS) c) V = f(VsB) T

V

karakterisztikából: karakterisztikából:

T

[V]; GM

LAMBDA

A/V];

[V- ]; 1

GAMMA

állapotsűrűség-eloszlást, amelyeket a MOS kapacitás impulzusüzemű C—V és ezt követő kvázistatikus C—V méréséből és kiértékeléseiből n y e r t ü n k . Az inverziós t a r t o m á n y közelében vizsgálható a felületi állapotsűrűség energiaeloszlása a MOS tran­ zisztor töltéspumpálással nyert á r a m —feszültség karakterisztikájából [16]. A töltéspumpálás-mérés gyors mérési eljárássá vált a megfelelő mérő és kiértékelő program kifejlesztésé­ vel. " A 15. á b r á n a p zseben k i a l a k í t o t t MOS tranzisztor töltéspumpálás-méréssel nyert felületi állapotsűrűség eloszlás görbéje l á t h a t ó . A korszerű MOS á r a m k ö r ö k előállítására alkalmas technológia nagyban t á m a s z k o d i k a MOS tranzisztor k i s á r a m ú viselkedésének alapos elemzésére. A MOS tranzisztor nyitófeszültség alatti áram—feszültség karakterisztikája sok technológiai paramétertől függ. A karakterisztika egyaránt felhasználható a felületi ROSANICS

« . 0

GYÖRGY

A Budapesti Műszaki Egyetem Villamosmérnö­ ki Karának műszaki fi­ zika ágazatán szerzett vil­ lamosmérnöki oklevelet 1983-ban. Azóta a Mik­ roelektronikai Vállalat félvezető fejlesztés MOS konstrukciós osztályán dolgozik. Támaterülete MOS eszközök fizikai modellezése és számító­ géppel segített méréstech­ nika fejlesztés.

2 . 0.

0 . 0. 0 . 0

472

[10"8

Híradástechnika

XXXVI.

évfolyam

,1985. 10.

szám

BORON

DOPING

PROFILÉ

V CV3 G

*E + 1 8

*

1 .«!

i n o

V-l

Q

0 . 0. -i—i 0 . 0

v

i

i'

i i 0.5

i

i

i i 1.0

r V ] D S

W-ÍUMJ

13. ábra. M é l y k i ü r í t é s e s MOS tranzisztor modell: egy N M O S t e r h e l ő tranzisztor k i m e n ő k a r a k t e r i s z t i k a pontjai, és a [15] irodalom szerinti modellel s z á m í t o t t k i m e n ő k a r a k t e r l s z t i k a

H73-Ka

adalékkoncentráció, a felületi állapotsűrűség, a drain p — n á t m e n e t visszáram a parazita tranzisztor hatások és a rövidcsatornás jelenségek elemzésére.

2, N s S

Összegezés

Zjh^

.12

A MOS integrált á r a m k ö r ö k fejlesztése és g y á r t á s a többszörösen is t á m a s z k o d i k a t e s z t á b r á n t ö r t é n ő vizsgálatokra. A t e s z t á b r a vizsgálatok e r e d m é n y é t e g y a r á n t felhasználják az új technológia optimali­ zálás irányítására, a g y á r t á s i kihozatal és minőség biztosítására, a tervezési p a r a m é t e r e k és szabályok ellenőrzésére. A t e s z t á b r a vizsgálatok kulcsszerepet j á t s z a n a k a tervezőmérnök és a technológiai produktum k ö z ö t t i kapcsolatrendszerben. Ez a szerepkör hangsúlyozot­ t á válik a napjainkban elterjedő új szervezésű fél­ vezető technológiai innovációs láncban, nevezetesen akkor, amikor a felhasználó igényű á r a m k ö r ö k ter­ vezése és g y á r t á s a t e r ü l e t é n a MOS technológiai fo­ lyamat, mint szolgáltatás jelenik meg (silicon foundr y ) . Az á r a m k ö r tervező és a szelettechnológiát szol­ g á l t a t ó szervezet k ö z ö t t i szerződéses kapcsolatban a szeletek átvétele, minősítése, a tervezési p a r a m é t e r e k utólagos ellenőrzése t e s z t á b r a vizsgálatokra t á m a s z ­ kodik. A t e s z t á b r a vizsgálatok h a t é k o n y s á g a jelentősen függ a t e s z t á b r á k kialakításából, a mérési adatfel­ dolgozás jellegétől és nem utolsósorban a m i n t a v é t e l metodikájától. A cikk vizsgálati módszer fejlesztés eredményeiről számol be. Bemutatja azokat a programcsomagokat, amelyek a számítógéppel vezérelt mérőrendszer ve­ zérlését végzik. A kifejlesztett programcsomagok réHíradástechnika

i

XXXVI.

évfolyam

1985.

10.

szám

10

*

2.

*

* *

10" 0

0,2

0,4

0,6

0f>

1.0

E-E CeV] v

H 7 3 - K b\ 14. ábra. S i — S Í O 2 h a t á r f e l ü l e t v i z s g á l a t a MOS k a p a c i t á s s a l : CMOS technológiával p zseben k i a l a k í t o t t kondenzátor a) Az impulzus C — V m é r é s b ő l m e g h a t á r o z o t t felületi a d a l é k profil; b) A k v á z i s t a t i k u s C — V m é r é s b ő l a fenti a d a l é k ­ profil f i g y e l e m b e v é t e l é v e l m e g h a t á r o z o t t felületi á l l a p o t s ű ríiség-eloszlás

473

SURF ACE

5TATE

IRODALOM

DENS1TY

+1 4

10

+1 3

i

1 0

e o *. I

>

+1 2

1 0

[ÍJ M. P. Anthony: Parametric Testing in Integrated Circuit Production. Microelectronic Manufacturing and Testing, 1984. sept. 62 — 64. [ 2 ] V. Kaempf: Automated Parametric Testers to Monitor the Integrated Circuit Process. Solid State Technology 1981. sept. 81 — 87. [3] M. G. Buehler: Comprehensive Test Patterns with Modular Test Structures: The 2 by N ProbePad Array Approach. Solid State Technology Vol. 22. No. 10, 1979. 89-94. [4] M. G. Buehler: The Use of Electrical Test Structure Arrays for Integrated Circuit Process Evaluation. J . Electrochem. Soc. Solid-state Science and Technology Vol. 127. No. 10. 1980. oct. 2284-2290. [5] R. T. J'erdőnek,

z

The

3

+ 11

1 0 0.7

0.8

0.9

E-EV

1.0

[eV]

1-1

[6] J. S. Suehle, L . W. Linholm,

K. Kafadar:

Mini­

mum Test Chip Sample Size Selection for Characterizing Process Parameters I E J , of Solid State Circuits Vol. SC.-19. No. 1. 1984. 123-129. Yign-Ren Ma, K. D. Wa: A New Method to Electrically Determine Effective M O S F E T Channel Width. I E Trans. on Electron Devices Vol. E D . 29. No. 12. 1982. 1925-1827. M. G. Buehler, L . W. Linholm: Role of Test Chips in Coordinating Logic and Circuit Design and Layout Aids for V L S I . Solid State Techno­ logy 1982. sept. 6 8 - 7 4 . J. M. Cassard: A Sensitivity Analysis of S P I C E Parameters Using an Eleven-Stage Ring Oscillator. I E J . of Solid-state Circuits Vol. Sc-l9. No. 1. 130-135. dr. Bársony István: A P R O T E S T tesztchip do­ kumentációja. MEV belső jelentés, 1982. decem­ ber. 3

[H

73-1 5

J5. óöra. S i — S i 0 h a t á r f e l ü l e t v i z s g á l a t a MOS tranzisztorral: felületi állapotsűrűség-eloszlás töltéspumpálás mérésből. A C M O S t e c h n o l ó g i á v a l e l ő á l l í t o t t N M O S tranzisztor r é t e g szerkezete azonos a 14. á b r á n szereplő MOS k o n d e n z á t o r é v a l

[7]

2

vén a mérőrendszer korszerű t e s z t á b r a vizsgáló állo­ mássá vált. A t e s z t á b r á k DC p a r a m é t e r mérését és statisztikus adatfeldolgozását a M E V T E S Z T programcsomag biztosítja. A szeletek p a r a m é t e r térképezése a T É R ­ K É P E Z Ő programcsomaggal lehetséges. A M E V F I T programcsomag különböző numerikus MOS tranzisz­ tor modellek b e m e n ő p a r a m é t e r e i t h a t á r o z z a meg. A MOS kapacitások analitikus vizsgálatát a CVMERO programcsalád, és az ehhez kapcsolódó kiértékelő programok biztosítják. Töltéspumpálás elvén MOS tranzisztoron is tudunk felületi állapotsűrűséget vizs­ gálni a P M P M E R és az ehhez kapcsolódó kiértékelő programmal. A kifejlesztett mérőprogramok folyamatosan vég­ zett alkalmazástechnikai vizsgálatainkra t á m a s z k o d ­ nak. A vizsgálatok az elmúlt időszakban a MEV-ben egy új MOS technológiai folyamat (Si-gate CMOS) optimalizálásában, g y á r t á s i technológia honosítás­ ban (NMOS), valamint a minőségbiztosítással kap­ csolatos hibaanalízisben egyaránt felhasználásra ke­ rültek.

Köszönetnyilvánítás A bemutatott fejlesztő munka az 1983—85. években az O K K F T A / 4 1. alprogram 12. projektje k e r e t é b e n zajlott; nagyban t á m a s z k o d o t t a H I K I - b e n k o r á b ­ ban végzett m u n k á r a , amelyben dr. B á r s o n y I s t v á n ú t t ö r ő szerepet j á t s z o t t , és amelyben részt vett Schván P é t e r is.

474

H. F. Bare, G. J. Fromen:

Use of a Silicon Gate CMOS/SOS Test Vehicle to Evaluate Technology Maturity. I E Trans. on Electron Devices Vol. E D . 25. No. 8. 1978. 873-878.

3

[8]

[9]

3

[10]

[11] D. Takács,

C. Werner, J. Harter,

U.

Schwabe:

Surface Induced Latch-up in V L S I CMOS Cir­ cuits. I E D M ' 1982. San Francisco C A . 1982. Dec. 1 3 - 1 5 . 458-461.

[12] G. P. Carver,

L . W. Linholm,

T. J.

Russell:

Use of Microelectronic Test Structures to Characterize IC Materials, Processes and Processing Equipment. Solid State Technology, 1980. Sept. 85-92.

[13] A. Valkó,

Á. Barna,

P. Tüttő,

L . Gosztola, P.

Révész, S. Sándor: Electrical and Morphological Investigation of Poly-poly Capacitor Structures. Proceedings of MIEL-85 Ljubljana, May. 8—10. 1985.415-418.

[14] D. A. Divekar,

R. I. Dowell: A Depletion-Mode

M O S F E T model for Circuit Simulation. I E Trans. on Computer-Aided Design Vol. CAD-3 No. 1. 1984. Jan. 8 0 - 8 7 . 3

[15] K. II.

Zaininger

and F. P. Heiman:

The C-V

Technique as an Analytical Tool. I — I I . Solid State Technology May. 1970. 49-56.; June 1970. 4 6 - 5 5 . [16] G. Groeseneken, H. E. Maes,

N. Beltran,

R. F.

De Keersmaecker: The Energy Distributkm of Si/Si0 Interface States Measured in Small Size M O S F E T Using the Charge Pumping Technique. Insulating Films on Semiconductors, ed. J . F . Verweij and D. R . Wolters. Elsevier Schience Publishers B.V. 1983. 153-157. 2

Híradástechnika

XXXVI.

évfolyam

1985. 10. szám