Характеризация библиотек транзисторов, логических элементов и простых функциональных блоков

 

Вариации параметров полупроводниковых приборов имеют макроскопические и микроскопические составляющие. Макроскопические составляющие связаны с однородностью обработки пластин. Корреляционная длина вариаций – единицы и десятки миллиметров. Микроскопические составляющие связаны со статистической неоднородностью распределения зарядов и атомов в структуре полупроводниковых приборов. Величины микроскопических неоднородностей в первую очередь зависят от размеров структурных областей. Простейшая формула для оценки неоднородностей параметров элементов имеет вид:

                                          ,                                         (3.1)

 

где  – дисперсия параметров элементов, имеющих размер W∙L и расположенных на расстоянии P; A_P и S_P – эмпирические коэффициенты.

Производственные участки дают значения коэффициентов A_P и S_P для максимальных токов и пороговых напряжений МОП - транзисторов для каждой партии изделий. Развитие технологии сопровождается снижением макроскопических составляющих и увеличением микроскопических. Для нанометровых технологий микроскопические составляющие вариаций параметров могут превышать макроскопические.

Классическая задача характеризации – это определение параметров моделей транзисторов для типовых (ожидаемых) значений основных выходных параметров (максимальных токов и пороговых напряжений), а также для крайних отклонений в пределах допустимых норм. Эта задача сохраняется и для нанометровых транзисторов, усложняются лишь модели, описывающие их поведение. Однако появляются и новые задачи, которые не требовались для микронных и субмикронных технологий.

Электронная компенсация отклонений в кластере включает динамическую коррекцию напряжения питания, смещения потенциалов изолирующих «карманов», частоты синхронизации. Коррекция выполняется под управлением встроенных средств контроля задержек, утечек и температуры. Модели полупроводниковых приборов должны адекватно описывать их поведение при любых возможных комбинациях режимов работы. Многопараметрическая оптимизация библиотечных элементов потребует больших объемов информации и ресурсов для подготовки. Первая дополнительная задача – это подготовка требований к моделям транзисторов и маршруту характеризации параметров в соответствии с требованиями методологии проектирования нанометровых микросхем.

Разработка топологии нанометровых микросхем ведется в соответствии с правилами DFY – проектирования для повышения выхода годных. В частности, критические блоки и цепи разрабатываются по минимальным проектным нормам, а остальные – по оптимальным. Не существует единых критериев оптимизации, так как они определяются числом элементов в микросхеме и возможностями резервирования. Вторая дополнительная задача характеризации – определение оптимальных проектных норм, обеспечивающих требуемый выход годных для заданной степени интеграции изделий.

Разработка электрических схем ведется в соответствии с правилами DFM – проектирования для возможностей производства. Кластерная структура схемы и электронная компенсация макроскопических вариаций параметров требуют определения корреляционной длины этих параметров. В маршруте проектирования требуется минимальное значение корреляционной длины основных выходных параметров транзисторов: максимальных токов, порогового напряжения, токов утечки, задержки инвертора. Определение допустимых размеров кластера – третья дополнительная задача характеризации.

Четвертая задача – определение значений некомпенсируемых вариаций параметров. Величины некомпенсированных вариаций зависят от возможностей средств электронной компенсации, а также от соотношений размеров кластеров и корреляционной длины основных параметров полупроводниковых приборов. Пока не разработаны методики расчета и прогнозирования некомпенсируемых вариаций. Для их определения требуются измерения тестовых кристаллов.

Основная проблема состоит в отсутствии единой методической базы для этапа характеризации параметров нанометровых транзисторов и логических элементов. Эта задача является первоочередной. Характеризация параметров по универсальной методике – легкоавтоматизируемая рутинная задача.

Следующая цель – создание средств САПР для автоматического расчета параметров базовых элементов на основе результатов измерений типовых тестовых структур по установленным методикам. Очевидно, что установленная цель – это идиллия, нарушаемая опережающим развитием технологии. Однако общее направление развития схемотехники на повышение уровня описания унифицированных решений остается неизменным на протяжении всей истории развития интегральной электроники.

 

На основании вышеизложенного можно сделать следующие выводы:

 

· совместная унификация схемотехнических и технологических решений является основой методологии проектирования микросхем, обеспечивающей высокую производительность труда разработчиков;

· переход к нанометровым размерам элементов микросхем сопровождается нарушением основных принципов унификации. Многообразие физических структур и технологических маршрутов требует создания полной иерархической базы данных по проектам для каждого производственного участка. Производительность проектных работ значительно снижается;

· новая система унификации схемотехнических решений должна опираться на общие характеристики нанометровых КМОП - структур без связи с конкретным технологическим маршрутом. Унифицированные решения должны охватывать верхние уровни схемотехнического проектирования – системный и функциональный;

· сформулированы общие черты новой схемотехники нанометровых микросхем: сетевая архитектура с одинаковыми размерами модулей; электронная коррекция параметров элементов внутри каждого модуля; асинхронная связь между модулями; возможность масштабирования размеров сети изменением числа модулей; взаимозаменяемость модулей для резервирования;

· свойства нанометровых транзисторных структур требуют новых видов синтеза электронных схем и их верификации. Для этого необходима новая методика характеризации параметров транзисторов и логических элементов, учитывающая статистический характер их распределения;

· необходимо установить единые требования к составу характеризуемых параметров и методикам их определения. На основе этих требований возможно создание средств САПР, значительно повышающих производительность труда.

Литография

Основные определения

Литографией, применяемой в производстве ИМС, называют процесс переноса геометрического рисунка топологии на поверхность кремниевой пластины. По этому рисунку формируют все элементы схемы – затворы, контактные окна, металлические межкомпонентные соединения и т.п., – в соответствующих физических слоях.

Первоначально топология создается системой проектирования в форме цифрового кода. Цифровой код управляет генератором изображения. Генератор изображения может формировать рисунок топологического слоя непосредственно на кремниевой пластине, но чаще – на стеклянных пластинах с непрозрачной пленкой, покрытой слоем, чувствительным к излучению. Эти стеклянные пластины называются шаблонами, или фотошаблонами. Генераторы изображения бывают электронно-лучевые или лазерные.

Полимерные слои, чувствительные к излучению, называют резистами.

По типу излучения литографию подразделяют на оптическую (фотолитографию), рентгеновскую и электронную. Практическое применение имеют только фотолитография и электронная литография.

В научно-исследовательских лабораториях разработаны методы рентгеновской литографии – получение топологического рисунка через рентгеновский шаблон при помощи источника рентгеновского излучения или на ускорителе элементарных частиц типа синхротрона, а также методы ионной литографии – бомбардировка резиста направленным пучком ионов. Большую практическую сложность здесь представляют создание и эксплуатация рентгеновских шаблонов и отсутствие достаточно чувствительных резистов.

Классификация методов литографии приведена на рис. 4.1.

 

 

 

Рис. 4.1. Классификация методов литографии

 

В фотолитографии используют ультрафиолетовое излучение с длиной волны – 130 - 450 нм, в рентгенолитографии – мягкое рентгеновское излучение с длиной волны 0,5 - 1,5 нм и в электронолитографии – электронное излучение с длиной волны 0,01нм. Чем меньше длина волны излучения, тем меньше эффекты дифракции влияют на размеры элементов рисунка.

Фотолитография характеризуется минимальным размером элементов, равным половине длины волны (65 нм), рентгенолитография обеспечивает размер 10нм, электронолитография – до 1 нм. Эти цифры относятся к предельным показателям. Реально достижимые технологические нормы, например, для традиционной контактной фотолитографии, намного отличаются от предельных. Современные технологии проекционной фотолитографии с уменьшением позволяют получить размер элементов до 60 нм.

Перенос изображения может осуществляться с помощью шаблона (фотолитография, рентгеновская литография) или переносом сфокусированного луча (электронно-лучевая, лазерная литография).

Устройства экспонирования, применяемые в технологических процессах, должны содержать установку совмещения, обеспечивающую точное совмещение рисунков слоев, и источники излучения. Рабочие характеристики экспонирующих устройств оцениваются по трем параметрам:

· разрешению;

· точности совмещения;

· производительности.

Разрешение – минимальный размер элемента, который может быть перенесен на резист.

Точность совмещения – мера точности расположения изображений последовательных топологических слоев.

Производительность – количество пластин, которые могут быть экспонированы в течение часа.

При изготовлении ИС между переносом рисунка на различные слои проводится формирование этих слоев в структуре пластины: ионная имплантация, травление, окисление кремния или металлизация.

 

Фотолитография – ключевой процесс планарной технологии

Основные достоинства фотолитографии:

· гибкость, т.е. простой переход от одной конфигурации к другой путем смены фотошаблонов;

· точность и высокая разрешающая способность;

· высокая производительность, обусловленная групповым характером обработки, когда на пластине одновременно формируют от десятка до нескольких тысяч структур будущей ИМС;

· универсальность, т.е. совместимость с разными технологическими процессами (маскированием при травлении, ионным легированием, электрохимическим осаждением и др.).

В технологический цикл прямой фотолитографии входят следующие операции:

1) обработка подложки – очистка от загрязнений и увеличение адгезии наносимого фоторезиста к поверхности;

2) нанесение слоя фоторезиста;

3) инфракрасная сушка слоя фоторезиста;

4) совмещение рисунка очередного фотошаблона с рисунком, оставшимся на подложке от предыдущего фотошаблона; экспонирование через шаблон с топологическим рисунком;

5) проявление и образование рельефа из резиста (маски), повторяющего рисунок шаблона;

6) инфракрасная сушка рельефа из резиста.

Дальнейшая последовательность операций зависит от поставленной цели и связи с другими технологическими процессами. Обычно следует:

7) травление слоями металла или окисной маски.

8) удаление рельефа из резиста после того, как он выполнил свою роль.

Процесс обратной фотолитографии на примере формирования металлической разводки включает:

1) создание рельефа из фоторезиста; при этом используются первые пять операций прямой фотолитографии;

2) напыление на рельеф из фоторезиста слоя металла;

3) удаление рельефа с участками металла («взрыв») в органическом растворителе, не влияющем на металл.

Обратная фотолитография обычно применяется в двух случаях:

· материал подложки не травится вообще или травится в составах, которые не выдерживает резист (например, керамическая подложка, травление золота в царской водке);

· подложка представляет многослойную тонкопленочную структуру, а процесс травления неселективен, т.е. при травлении верхнего слоя процесс не прекращается на поверхности нижележащего слоя.

Прежде чем рассмотреть подробно технологический цикл фотолитографии необходимо ознакомиться с характеристиками фоторезистов и изготовлением фотошаблонов.

Резисты - это полимерные пленки, которые после воздействия облучения удаляются в проявителе (позитивные резисты) или, наоборот, полимеризуются и становятся устойчивыми к проявителю, в отличие от необлученных участков (негативные резисты).

Нанесение резиста на кремниевую пластину осуществляется центрифугированием. Изменяя скорость вращения центрифуги, можно изменять толщину наносимого слоя. Чем тоньше резист, тем выше разрешение фотолитографии, но хуже маскирующая способность, т.е. устойчивость к процессам травления.

Фотошаблоны изготавливаются из оптического стекла, кварца или фторида кальция. Выбор материала определяется длиной волны излучения. Непрозрачный рисунок на фотошаблоне создается в тонком слое металла, обычно хрома.

В процессе оптической литографии (фотолитографии) происходит поглощение резистом энергии в УФ - диапазоне (130 – 450нм).

Относительно взаимного расположения шаблона и пластины существуют следующие методы фотолитографии:

· контактный;

· бесконтактный (с зазором);

· проекционный.

При контактном методе в процессе экспонирования пластина и шаблон приводятся в соприкосновение друг с другом. Для совмещения топологических рисунков различных слоев шаблон и пластину разводят друг относительно друга примерно на 25 мкм. Совмещение происходит при помощи микроскопа с двумя объективами для наблюдения за шаблоном и пластиной с двух точек. Поле зрения окуляров разведено так, что правый глаз видит точку на правой стороне шаблона, а левый – на левой. При экспонировании коллимированным пучком излучения микроскоп отводится, а шаблон освещается определенный промежуток времени.

Достоинство метода – вследствие тесного контакта шаблона с подложкой разрешение максимально для контактной фотолитографии и составляет около 0,5 мкм.

Недостаток – из-за наличия загрязнений на подложке шаблон царапается и быстро выходит из строя.

Метод бесконтактного экспонирования отличается наличием зазора между пленкой резиста и шаблоном, составляющим 10 – 25 мкм.

Достоинство метода – уменьшается вероятность повреждения шаблона.

Недостаток – разрешение составляет 2 – 4 мкм.

Современная микроэлектроника требует не только уменьшения размеров элементов микросхем до 0,1 мкм и менее, но и размещения элементов подобных размеров на все больших площадях вплоть до использования подложек диаметром 300 – 400 мм.

Одним из методов, обеспечивающих высокое разрешение на больших полях и исключающих непосредственный контакт подложки и фотошаблона, является проекционная фотолитография.

Возможны следующие варианты оптической проекционной фотолитографии:

1) одновременная передача (проецирование) изображения всего фотошаблона на полупроводниковую пластину;

2) последовательное поэлементное экспонирование изображения одного или разных типов модулей с уменьшением;

3) последовательное вычерчивание изображения на фотослое сфокусированным лазерным лучом, управляемым от компьютера.

Фотошаблонные заготовки для фотолитографии в области глубокого ультрафиолетового излучения (ГУФ) изготовляются не из стекла, а из кварца, сапфира или кристаллов GaF₂, на поверхность которых наносится слой непрозрачного металла (Cr, Al).

Высокая разрешающая способность требует адекватной межслоевой точности совмещения слоев рисунка. В современных установках проекционной литографии используется совмещение с помощью лазерного интерферометра по рельефным меткам, вытравленным в структуре пластины.