Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke Berkeley CMOS tesztábrák Minőségbiztosítás a mikroelektronikában,

Az előadások a következő témára: "Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke Berkeley CMOS tesztábrák Minőségbiztosítás a mikroelektronikában,"— Előadás másolata:

1 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke http://www.eet.bme.hu Berkeley CMOS tesztábrák Minőségbiztosítás a mikroelektronikában, 2013. tavaszi félév Dr. Mizsei János Somlay Gergely Juhász László

2 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 09-03-30 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

3 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 09-03-30 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

4 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 09-03-30 Berkeley CMOS tesztábrák 4 Tesztábrák típusai ► Tesztábrák felhasználási területei:  Eszközparaméterek meghatározása  Áramkör paramétereinek meghatározása  Gyártási folyamat paramétereinek meghatározása  Random hibaellenőrzés  Megbízhatóság ellenőrzése

5 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 09-03-30 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

6 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 09-03-30 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

7 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 09-03-30 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

8 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 09-03-30 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

9 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 09-03-30 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

10 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 09-03-30 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

11 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 09-03-30 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

12 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 09-03-30 Berkeley CMOS tesztábrák 12 Tesztstruktúrák: eszköz paraméterek

13 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 09-03-30 Berkeley CMOS tesztábrák 13 Tesztstruktúrák: eszköz paraméterek ► Analóg áramkörökben fontosak az azonosan működő eszközök ► Szorosan csatolt tranzisztor mátrixok: 4x4 tömbök

14 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 09-03-30 Berkeley CMOS tesztábrák 14 Tesztstruktúrák: eszköz paraméterek

15 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 09-03-30 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

16 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 09-03-30 Berkeley CMOS tesztábrák 16 Tesztstruktúrák: eszköz paraméterek

17 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 09-03-30 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

18 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 09-03-30 Berkeley CMOS tesztábrák 18 Tesztstruktúrák: folyamatparaméterek

19 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 09-03-30 Berkeley CMOS tesztábrák 19 Tesztstruktúrák: folyamatparaméterek ► Felhasított kereszt híd ellenállások ► Rétegellenállás és csíkszélesség ellenőrzése ► Összeköttetések ellenállása, késleltetések, adalékolás, áramvezetési képesség határozható meg

20 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 09-03-30 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:

21 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 09-03-30 Berkeley CMOS tesztábrák 21 Tesztstruktúrák: folyamatparaméterek

22 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 09-03-30 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

23 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 09-03-30 Berkeley CMOS tesztábrák 23 Tesztstruktúrák: folyamatparaméterek

24 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 09-03-30 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

25 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 09-03-30 Berkeley CMOS tesztábrák 25 Tesztstruktúrák: folyamatparaméterek

26 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 09-03-30 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

27 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 09-03-30 Berkeley CMOS tesztábrák 27 Tesztstruktúrák: folyamatparaméterek

28 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 09-03-30 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

29 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 09-03-30 Berkeley CMOS tesztábrák 29 Végzetes hibák és megbízhatóság ► 104 db 3 x 3 µm-es és 2 x 2 µm-es kontaktus

30 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 09-03-30 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

31 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 09-03-30 Végzetes hibák és megbízhatóság

32 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 09-03-30 Berkeley CMOS tesztábrák 32 Végzetes hibák és megbízhatóság ► Szerpentin alakú ellenállások: szakadásvizsgálat ► Abnormálisan magas ellenállás hibát jelent ► Szerpentin/fésűs ellenállással mindkét hiba vizsgálható

33 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 09-03-30 Berkeley CMOS tesztábrák 33 Végzetes hibák és megbízhatóság

34 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 09-03-30 Berkeley CMOS tesztábrák 34 Végzetes hibák és megbízhatóság ► Szerpentin ellenállás topológián: fémezés folytonossága a lépcsőkön ► PoliSi csíkok a lépcsők

35 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 09-03-30 Berkeley CMOS tesztábrák 35 Végzetes hibák és megbízhatóság

36 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 09-03-30 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

37 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 09-03-30 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 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 09-03-30 Berkeley CMOS tesztábrák 38 Scribe-line felépítése ► A vágási zóna ► Mérések a szeletdarabolás előtt

39 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 09-03-30 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 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 09-03-30 Berkeley CMOS tesztábrák 40 A teszt IC felépítése

41 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 09-03-30 Berkeley CMOS tesztábrák 41 Automata teszter felépítése ► A hatékony adatgyűjtéshez automata teszter lett fejlesztve ► A mérés a SUNBASE program segítségével vezérelhető

42 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 09-03-30 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 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 09-03-30 Mérési eredmény példa ► Vonalvastagság változása két szeleten: