Тестовое устройство для выявления эффектов изменения электрофизических параметров в слоях СБИС

Полезная модель относится к области полупроводниковой электроники и может быть использована для выявления эффектов изменения электрофизических параметров в слоях сверхбольших интегральных схем (СБИС).
Из уровня техники известно, что уменьшение топологических норм, приводит к трудностям учета изменений физических параметров при системном моделировании, в реальных слоях физической структуры, которые связанны с влиянием технологических процессов на геометрические размеры в слоях физической структуры СБИС. Процессы химико-механической планаризации (CMP - Chemical-Mechanical Planarization), литографии и травления вызывают: изгибы, подтравливание, эрозию, уменьшение ширин металлических проводников, образование сферических углублений и трещин. Трансформация размеров приводит к эффектам изменений электрофизических параметров слоев СБИС. Эффекты усложняют процесс получения достоверных электрофизических параметров, снижают точность измерений и моделирования. Источник "Нано - КМОП - схемы и проектирование на физическом уровне" Б.П. Вонг, А. Миттал, Ю. Цао, Г. Старр изд. Техносфера. В данной книге приведена конструкция тестового устройства, взятого за прототип, выполненная в виде многоуровневой структуры межсоединений на кристалле (фигура 1). Так же, как и в предлагаемом устройстве, она содержит различные слои, в том числе и проводящие, составляющие физическую структуру СБИС разных геометрических размеров. Конструкция прототипа обеспечивает тестирование электрофизических параметров, она универсальна и компактна. Слои располагаются друг над другом, что позволяет отслеживать электрофизические изменения на одном устройстве. Например, на рис. 8.2б стр. 289 показано отношение емкости связи Сс к емкости металл - земля Cg, фигура 2. Однако в описанной в книге конструкции возникают межсоединения с нежелательной емкостной связью, возникающей между проводниками или элементами электронных схем (паразитные элементы), с задействованными для определения параметра слоями, в результате сложно выявить, какая из комбинаций межсоединений или технологических процессов влияет на результат исследования при изменении геометрических размеров этих слоев. Кроме того, возникают погрешности в определении электрофизических параметров из-за неучтенных интегральных эффектов влияния паразитных элементов. Таким образом, совместное расположение проводящих слоев в устройстве прототипа:
- вызывает нежелательные взаимные связи, ухудшающие точность определения электрофизических параметров;
- препятствует исследованию сложных конструкций, например с использованием исходных элементов технологической библиотеки;
- усложняет выявление эффектов влияния, каждого размера изменяемой конфигурации (геометрии) элемента конструкции, на изменения электрофизических параметров в слоях СБИС.
Предлагается устройство, лучшее по функциональности и использованию. Конструкция нового устройства состоит из набора разнесенных и экранированных квалификационных ячеек, объединенных в тестовые структуры, с возможностью сравнения значений их параметров между собой. Использование специального конструктивного элемента, квалификационной ячейки, вызвано:
- предотвращением нежелательных взаимных связей, приводящих к трудностям определения причин неучтенных изменений электрофизических параметров;
- расширением конструктивных возможностей для получения значимой трансформации размеров проводящих слоев и выявлению неучтенных эффектов изменений электрофизических параметров соответственно;
В отличие от прототипа, из слоев в одной тестовой структуре, заявленное устройство имеет в своем составе несколько, в данном случае три тестовые структуры. В каждой такой тестовой структуре, от одной квалификационной ячейке к другой, один из геометрических размеров проводящего слоя СБИС, изменяется с заданным шагом, остальные размеры слоев остаются постоянными. Слои квалификационных ячеек связаны между собой, пошаговыми изменениями, их (планируемых) геометрических размеров. Что позволит с большей точностью локализовать и оценить влияние геометрического фактора, на фоне той или иной технологической операции, на значение электрофизического параметра. Реальные размеры слоев будут отличаться от планируемых и повлияют на значение исследуемого параметра, поэтому данные электрофизические эффекты изменений могут быть выявлены путем сравнения значений соседних ячеек.
Такое решение позволяет упростить выявление влияния, каждого размера изменяемой конфигурации (геометрии) элемента конструкции, на изменения электрофизических параметров в слоях СБИС. Найти реальные эффекты и изменения значений электрофизических параметров и определить расположения «неучтенных значений».
Количество, геометрические размеры и последовательность ячеек в составе тестовых структур задает диапазон и точность работы системы определения эффектов изменения значений электрофизических параметров в целом.
Задачей устройства является выявление и прогнозирование эффектов изменения электрофизических параметров в слоях СБИС, во время производственных технологических процессов.
Поставленная задача достигается тем, что:
- элементы физической структуры СБИС, с изменяемой конфигурацией (геометрией), входящие в состав конструкции квалификационных ячеек, определяют исходный параметр исследования (его значение);
- тестовая структура из квалификационных ячеек, позволяющих упростить выявление влияния, одного размера изменяемой конфигурации (геометрии) элемента конструкции, на реальные изменения электрофизических параметров в слоях СБИС (последовательность значений, линия);
- в составе тестового устройства, последовательный набор тестовых структур, из квалификационных ячеек, позволяющих упростить выявление эффектов изменения, то есть найти реальные эффекты изменения значений электрофизических параметров (сетка значений, поверхность) и определить расположения неучтенных значений;
- при этом количество и последовательность ячеек в составе тестовых структур, задает диапазон и точность работы системы в целом.
Техническим результатом использования заявленного устройства, является: выявленные эффекты изменения электрофизических параметров в слоях СБИС, повышение точности и достоверности его работы. Работа полезной модели поясняется чертежами.
1 - аналог, тестовая многоуровневая структура меж-соединений.
2 - зависимость отношения емкости связи Сс к емкости металл - земля Cg.
3 - квалификационные ячейки, сконструированные на основе двух одинаковых электропроводящих слоев (M1) на диэлектрике.
4 - квалификационные ячейки, сконструированные на основе разных электропроводящих (М1&М2) между диэлектрика.
5 - фрагмент тестовой структуры X1 из ячеек QA-21, QA-22, QA-23.
6 - фрагмент тестовой структуры Х2 из ячеек QA-12, QA-22, QA-32.
7 - аномальное значение параметра.
8 - линия профиля структуры, из значений исследуемого параметра, из квалификационных ячеек.
9 - профиль электрофизического параметра с выделенными и представленными эффектами 1 и «неучтенными значениями» 2, из сетки, из линий профилей структур X1 и Х2.
10 - участок профиля электрофизического параметра с выделенным маркером и представленными краевыми эффектами 1.
11 - участок профиля электрофизического параметра с выделенным маркером и представленными «неучтенными значениями» 2.
Заявленное устройство представляет, из себя набор тестовых структур X1, Х2, Х3, состоящих из квалификационных ячеек, с изменяемой конфигурацией (геометрией) элементов конструкции, для выявления эффектов изменения электрофизического параметра;
- в структуре X1, квалификационные ячейки в слоях СБИС имеют геометрические размеры W изменяющиеся с заданным шагом ширины (w), при постоянных значениях S и L; фигура 5,
- в структуре Х2, квалификационные ячейки в слоях СБИС имеют геометрические размеры S изменяющиеся с заданным шагом расстояния (s) между элементами квалификационных ячеек, при постоянных значениях W и L; фигура 6,
3
- в структуре Х, квалификационные ячейки в слоях СБИС имеют геометрические размеры L изменяющиеся с заданным шагом длины (l), при постоянных значениях S и W,
- тестовая структура из квалификационных ячеек, с изменяемой конфигурацией (геометрией) элементов конструкции,
- квалификационная ячейка, из двух проводящих слоев, базовых геометрических размеров; Фигуры 3, 4;
- экранирование и увеличение расстояния между квалификационными ячейками устраняет взаимное влияние;
- квалификационные ячейки строятся по принципу, один параметр варьируется, другие параметры постоянны,
на фигуре 5 варьируется параметр W, L и S постоянны,
на фигуре 6 варьируется параметр S, L и W постоянны.
Если в любой из тестовых структур X1, Х2, Х3, значения электрофизического параметра от одной квалификационной ячейки к другой изменяются не предсказуемым образом, то такие значения считаются "аномальными" и таким образом становится возможным выделение данного значения маркером фиг. 7.
Огибающая значений образует линию профиля структуры, где маркером выделено аномальное представление поведения параметра фиг. 8.
Линии профилей структур образуют сетку, которая формирует поверхность, на которой маркером выделены аномальные значения, представленные в виде геометрических фигур, эффектов изменений фиг. 9. На данной фигуре представлены результаты работы предлагаемого тестового устройства для технологии SOI 090 для первого металла.
Эффекты изменения электрофизических параметров прогнозируемы на краях профиля, для максимальных ширин W и минимальных расстояний S. "Краевой" эффект 1, на фиг. 9 и фиг. 10. Если значения не "краевые", то это повод для выявления «неучтенных значений» 2 фиг. 9 и фиг. 11. Расположение, форма «неучтенных значений» подсказывает пути их устранения. В данном случае вредный эффект был устранен с помощью коррекции технологического процесса.
Таким образом, с помощью предлагаемого устройства, достигается поставленная задача выявления и представления эффектов исследуемых электрофизических параметров. Полученные «профили на структурах», с выявленными эффектами и «неучтенными значениями» параметров, подтверждают промышленное применение устройства. Заявленные выше возможности, представленного устройства, позволяют его использовать также для аттестации диэлектрических и проводящих слоев СБИС.