Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke Berkeley CMOS tesztábrák Minőségbiztosítás a mikroelektronikában, tavaszi félév Dr. Mizsei János Somlay Gergely Juhász László

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 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

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke Berkeley CMOS tesztábrák 3 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

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke Berkeley CMOS tesztábrák 4 Tesztábrák típusai ► Tesztábrák felhasználási területei:  Eszközparaméterek meghatározása  Áramkör paramétereinek meghatározása  Gyártási folyamat paramétereinek meghatározása  Random hibaellenőrzés  Megbízhatóság ellenőrzése

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke Berkeley CMOS tesztábrák 5 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

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke Berkeley CMOS tesztábrák 6 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

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke Berkeley CMOS tesztábrák 7 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

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke Berkeley CMOS tesztábrák 8 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

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke Berkeley CMOS tesztábrák 9 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

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke Berkeley CMOS tesztábrák 10 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

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke Berkeley CMOS tesztábrák 11 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

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke Berkeley CMOS tesztábrák 12 Tesztstruktúrák: eszköz paraméterek

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke Berkeley CMOS tesztábrák 13 Tesztstruktúrák: eszköz paraméterek ► Analóg áramkörökben fontosak az azonosan működő eszközök ► Szorosan csatolt tranzisztor mátrixok: 4x4 tömbök

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke Berkeley CMOS tesztábrák 14 Tesztstruktúrák: eszköz paraméterek

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke Berkeley CMOS tesztábrák 15 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

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke Berkeley CMOS tesztábrák 16 Tesztstruktúrák: eszköz paraméterek

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke Berkeley CMOS tesztábrák 17 Tesztstruktúrák: folyamatparaméterek ► Kontaktus ellenállás  Jelentős a szórás az ellenállások között  Méretcsökkenés miatt nő az ellenállásuk ► 4 vagy 6 kivezetéses kontaktus láncokkal vizsgálják

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke Berkeley CMOS tesztábrák 18 Tesztstruktúrák: folyamatparaméterek

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke Berkeley CMOS tesztábrák 19 Tesztstruktúrák: folyamatparaméterek ► Felhasított kereszt híd ellenállások ► Rétegellenállás és csíkszélesség ellenőrzése ► Összeköttetések ellenállása, késleltetések, adalékolás, áramvezetési képesség határozható meg

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke Berkeley CMOS tesztábrák 20 Tesztstruktúrák: folyamatparaméterek A mérés három részből áll: ► A kereszt rész a réteg- ellenállás mérésre: ► A középső rész a vonalszélesség mérésére: ► A harmadik rész a felhasítás adatainak mérésére:

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke Berkeley CMOS tesztábrák 21 Tesztstruktúrák: folyamatparaméterek

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke Berkeley CMOS tesztábrák 22 Tesztstruktúrák: folyamatparaméterek ► Fallon létra: minimális felbontás meghatározható ► Kiszámított ellenálláslépcsők ► A nem megvalósított ellenállások módosítják az eredő ellenállást ► A fokok 0,1 µm-rel keskenyednek

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke Berkeley CMOS tesztábrák 23 Tesztstruktúrák: folyamatparaméterek

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke Berkeley CMOS tesztábrák 24 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

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke Berkeley CMOS tesztábrák 25 Tesztstruktúrák: folyamatparaméterek

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke Berkeley CMOS tesztábrák 26 Tesztstruktúrák: folyamatparaméterek ► A négy ellenállás Wheatstone-hídba kapcsolva ► A kialakítás miatt: R 2 = R 4 és R 1 = R 3 innen

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke Berkeley CMOS tesztábrák 27 Tesztstruktúrák: folyamatparaméterek

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke Berkeley CMOS tesztábrák 28 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

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke Berkeley CMOS tesztábrák 29 Végzetes hibák és megbízhatóság ► 104 db 3 x 3 µm-es és 2 x 2 µm-es kontaktus

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke Berkeley CMOS tesztábrák 30 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

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke Végzetes hibák és megbízhatóság

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke Berkeley CMOS tesztábrák 32 Végzetes hibák és megbízhatóság ► Szerpentin alakú ellenállások: szakadásvizsgálat ► Abnormálisan magas ellenállás hibát jelent ► Szerpentin/fésűs ellenállással mindkét hiba vizsgálható

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke Berkeley CMOS tesztábrák 33 Végzetes hibák és megbízhatóság

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke Berkeley CMOS tesztábrák 34 Végzetes hibák és megbízhatóság ► Szerpentin ellenállás topológián: fémezés folytonossága a lépcsőkön ► PoliSi csíkok a lépcsők

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke Berkeley CMOS tesztábrák 35 Végzetes hibák és megbízhatóság

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke Berkeley CMOS tesztábrák 36 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

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 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

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke Berkeley CMOS tesztábrák 38 Scribe-line felépítése ► A vágási zóna ► Mérések a szeletdarabolás előtt

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 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

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke Berkeley CMOS tesztábrák 40 A teszt IC felépítése

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke Berkeley CMOS tesztábrák 41 Automata teszter felépítése ► A hatékony adatgyűjtéshez automata teszter lett fejlesztve ► A mérés a SUNBASE program segítségével vezérelhető

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 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

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke Mérési eredmény példa ► Vonalvastagság változása két szeleten: