автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Разработка автоматизированных методик контроля и оптимизации технологии МОП-БИС

РГБ ОД " 8 МП ¡995

На правах рукописи

ГОЛОВИН Сергея Викторович

РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ МЕТОДИК КОНТРОЛЯ И ОПТИМИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИИ МОП-БИС

Специальность 05-27.01 - Твердотельная электроника,

микроэлектроника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учйноя степени кандидата технических наук

Воронеж 1995

Работа выполнена на кафедре физики полупроводников и микроэлектроники Воронежского государственного университета.

Научные руководители:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук, профессор В.Ф.Сыноров

кандидат физико-математических наук, доцент E.H.Вормонтов

доктор технических наук, профессор А.И.Гуляев

кандидат Физико-математических наук, старшии научный сотрудник А.П.Ровинскии

Воронежский государстенныи технический университет

Защита состоится * ■{£" г£ 1995 года в часов на

заседании диссертационного совета К 063.48.02 при Воронежском

государственном университете по адресу: 394693, Воронеж, Университетская пл.,1, ВГУ. ауд.

С диссертациеи можно ознакомиться в библиотеке Воронежского государственного университета.

Автореферат разослан "fj" 1995 года.

Учвныи секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

В. И. Клюкин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Перед современным производством остро стоит проблема повышения производительности труда и качества продукции, что особо актуально для такого перспективного и сложного направления, как производство СБИС. Эффективное управление качеством продукции и совершенствование технологии производства МДП-интегральных схем неразрывно связано с повышением эффективности как лабораторного, так и промышленного контроля электрофизических характеристик создаваемых изделии, особенно на ранних стадиях ■ их изготовления. От этого зависят и размеры технологических потерь на различных этапах производства, и материальные затраты при производственном контроле их качества. Поэтому оснащение промышленности высокоточными и производительными

автоматизированными средствами измерения , разработка и освоение прогрессивных, высокоинформативных методик контроля непосредственно способствуют повышению экономической Эффективности

полупроводникового производства. Вместе с тем автоматизация информационных процессов существенно повышает Эффективность научного и производственного труда, интенсифицирует развитие научных разработок конкурентноспособных изделии, раскрывает творческия потенциал научно-технических работников.

Цель работы. Разработка комплекса методик и автоматизированных технических средств для экспресс-контроля электрофизических параметров и исследования технологии МОП-интегральных схем. Повышение воспроизводимости технологических процессов в производстве отдельных типов МОП-СБИС. Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

1. Разработка методик, удобных для автоматизированного исследования важнейших электрофизических характеристик МДП-структур методами вольт-фарадных характеристик и полной проводимости.

2. Разработка измерительно-вычислительного комплекса (ИВК) для оперативного исследования технологических процессов формирования и электрофизических характеристик МДП-приборов и интегральных схем.

3. Исследование влияния технологических Факторов на Физические свойства системы двуокись кремния - кремнии (Б10-51).

а

4. Разработка методик межоперационного контроля и аттестации технологических процессов и оборудования.

Научная новизна. Представлена новая методика расчёта энергетического спектра поверхностных состоянии, их поперечных сечения захвата и параметра Флуктуации поверхностного потенциала, отличающаяся от иэвстных тем, что позволяет рассчитывать указанные параметры по б-У характеристикам НОП-структур, измеренным на одной Фиксированной частоте при двух различных температурах.

Впервые показана возможность расчёта усреднённых значении плотности поверхностных состоянии, поперечных сечении захвата и стандартного отклонения Флуктуации поверхностного потенциала по характеристике МОП-структуры, измеренной при Фиксированной частоте и температуре.

Предложена новая нетодика моделирования теоретических НЧ и ВЧ БФХ НДП-структур с неоднородно легированной подзатворнои областью, основанная на численном решении уравнения Пуассона. Проведено обобщение эквивалентной схемы Нахмансона на случая неоднородно легированного полупроводника.

Предложена новая методика определения малой дозы • ионно-имплантированнои примеси, повышающая точность контроля до б-7£ за счёт введения реальной ширины ОПЗ в неоднородно легированной структуре. Данная методика позволяет контролировать с указанной точностью дозы для бора - до 0,22 мкКл/сма, для фосфорь - до 0,3 мкКл/сма.

. Основные положения, выносимые на защиту.

1. Экспресс - метод определения микронеоднородности поверхностных параметров МДП-структур, позволяющий находить усреднённые значения флуктуации поверхностного потенциала, плотности поверхностных состоянии, сечении захвата и времён перезарядки по одной <3-У характеристике. Это позволяет автоматизировать данную методику, сократить время измерения и упростить компьютерные расчёты.

2. Метод двухтемпературнои полной проводимости, обладающий высокой точностью и позволяющий находить энергетические спектры Флуктуации поверхностного потенциала, плотности поверхностных состоянии, сечении захвата и времён перезарядки по двум в-У характеристикам, полученным при двух различных температурах для одной Фиксированной частоты. Это позволяет реализовать методику на измерителях иммитанса с фиксированной частотой тестового сигнала.

3. Экспресс - метод определения малой дозы ипчно-имплантированнои примеси по отношению максимальной и минималъноп емкостей на ВЧ ВФХ, повышающий точность контроля до 6-7% путём расчёта реальной ширины ОПЗ в ионно- имплантированной структуре.

4. Влияние операции ионного легирования (ИЛ) на величину поверхностного заряда и спектр поверхностных состоянии. Показано, что ИЛ бором и фосфором не приводит к возникновению новых моноуровнея, однако увеличивает плотность поверхностных состоянии на 1-1,5 порядка и приводит к сглаживанию кривои распределения.

5. Возможность оптимизации технологических операции окисления и плазмохимического травления путём контроля электрофизических параметров тестовых МДП-структур.

6. Прогнозирование выходных параметров готовых изделии на ранних стадиях технологического цикла с помощью межоперационного контроля тестовых МДП-структур на рабочих пластинах-

Практическая значимость. Разработан измерительно- вычислительный комплекс на базе цифрового измерителя иммитансов Е7-12, обладающий повышенной точностью, простотой реализации и зкспрессностью, позволяющий производить исследование

технологических операции и оперативный контроль электрофизических характеристик МОП-изделии в условиях серийного производства.

Опыт эксплуатации комплекса на Воронежском заводе полупроводниковых приборов показал высокую эффективность его применения при решении ряда технологических проблем. В частности, с помояью ИВК контролируются малые дозы ионноя имплантации, анализируются причины нестабильности операции технологического процесса, проводилось диагностирование пороговых напряжении транзисторов на этапе Формирования поликремниевого затвора путём измерения электрофизических параметров тестовых элементов рабочих КНОП-СБИС. Использование ИВК способствует обеспечению комплексного подхода к контролю операции технологического процесса и электрофизических параметров отдельных элементов и ИНС в целом, повышает оперативность контроля за стабильностью технологического процесса, позволяет корректировать и оптимизировать техпроцесс, сокращает сроки отработки технологии новых приборов и интегральных схем, обеспечивает аттестацию базовых технологических процессов и в целом способствует повышению технико-экономических показателей (увеличению процента выхода годных, снижению себестоимости)

- б -

МОП-изделии, выпускаемых предприятием.

Результаты работы являются составная частью НИР, внедрение которой на ВЗПП дало экономическии эффект 73 млн. руб.

Апробация работы. Основные результаты диссертации

докладывались и обсуждались на Международной конференции "Нетрадиционные и лазерные технологии" (Москва, 1992), Международной конференции "Физические аспекты надёжности, методы и средства диагностирования параметров HC" (Воронеж, 1993), III Международном семинаре по моделированию приборов и технологии (Обнинск, 1994).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка используемои литературы и приложения. Работа содержит 154 страницы машинописного текста, включая 25 рисунков, 5 таблиц и библиографию из 94 наименовании.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы. Сформулированы цель и задачи исследовании, определены научная новизна и практическая ценность результатов работы, представлены основные положения, выносимые на занигу, а также приведено краткое изложение содержания диссертации.

В первой главе рассмотрены вопросы контроля электрофизических параметров МДП-структур методами вольт-Фарадных характеристик и полной проводимости, получены основные расчётные соотношения в виде, удобном для обработки результатов измерении на ЭВМ. Обсуждены информационные модели физики граничных явлении и принципы метрологического обеспечения автоматизированного контроля Физических параметров МДП-систем. Приведён обзор различных методик и технических средств для их реализации. Сформулированы основные задачи диссертационнои работы.

Вторая глава посвяиена теоретическому обоснованию и экспериментальной отработке новых методик экспресс-контроля структур с неоднородно распределённым поверхностным зарядом и важнейших электрофизических и технологических параметров МДП-систем с неоднородным распределением примеси в подзатворнои области.

Рассмотрены две новые модификации метода импеданса для исследования микронеоднородности поверхностных параметров МДП-структур. Обе методики основаны на анализе теоретического выражения для нормированной проводимости!

^р пч ехр^-аХ3-ь}

2Шо [1-х]а/а совр| '

(1)

Х= 1л15£Е2., г- среднее время перезарядки ПС

а

а = т>

где ц - заряд электрона, дифференциальная плотность ПС,

(<от 2оя

2

в , п" , ,

о +---1 , Ь =

4 о>* + 3] <у"+1,85

Первая из этих методик позволяет быстро получить средние

значения плотности и поперечного сечения захвата ПС, а также

параметра флуктуации поверхностного потенциала из одной кривои

нормированной проводимости С /<о(у ). Она основана на известном

р =

методе Брюса, в котором для нахождения стандартного отклонения с/

(Я /со)

используется фракционный параметр ^ -. В результате ряда

Р 1ГШХ

преобразовании можно получить следующее соотношение, связывающее а,

и ширину кривои проведённом на уровне £

tv и ширину кривои нормированной проводимости в сечении.

■ * [• ♦ • ч - Г •

где т . т_- значения средней постоянной времени ПС, при которых фракционный параметр равен заданному значению, <3 = оя+пя/8--1/(0**3)- 1/2, X - значение X в точке максимума нормированной проводимости. Формула (2)подвергается дальнейшему упрощений путём возведения в квадрат, разложения в ряд выражения для X , приведения

гп

к общему знаменателю и преобразовании отдельных членов. В результате получается формула, которая даёт ошибку порядка 0,020,03 при наиболее часто встречающихся значениях а. Эта Формула имеет следующий вид:

(„¡-у;,'.-Ц-2-;-1--(3)

" * (2<у +3,6) (2с -0,4)

где у*. у~- значения срвднвго поверхностного потенциала, при

которых равен заданной величине. Решая численно уравнение (3). можно определить стандартное отклонение поверхностного потенциала.

После нахождения о вычисляется среднее значение постоянной времени ПС в точке максимума нормированной проводимости по Формуле!

са(2са+3)

ехрего- Х )

т

1 г -

т

«

Затем находик сечение р-типа) на ПС по Формуле:

ехр

2 (о"+!)'

захвата дырок (для

(4)

полупроводника

о = (т у_р ) ехр у

р тп Т о ет

(5)

где у - значение среднего поверхностного потенциала в точке

Б1Л

максинума нормированной проводимости. Плотность ПС находится из уравнения (1), в которое надо подставить экспериментальное значение

(С /ш) и найденное X »

р та* т

2 О* + 3

Формулы (3)-(5) дают средние

значения параметров ПС для МДП-струхтуры в области обеднения.

Для получения энергетического спектра поверхностных параметров МДП-структуры предлагается новый метод двухтемпературнои полной проводимости. Вводятся следующие обозначения!

(в /и) при тенп-ре Т

(б /ы) при темп-ре Т р в

(С /<•>) при темп-ра Т

. р_1

(в /ш) при темп-ре Т

р а

при поверхностной потенциале у .

при поверхностном потенциале у

V

1п(ь>т ) 2*в

где

V

'71(Т1,1>.) ехр

постоянная

времени ПС при температуре Т и поверхностном потенциале у^, 1= I, 2; J = l, 2.

Для дальнейших преобразовании воспользуемся следующими предположениями. Будем считать, что сечение захвата основных носителей и плотность поверхностных состоянии не зависят от температуры в интервале от 100 до 500 К. Кроме того, отметим, что в этом же температурном диапазоне концентрация ионов примеси также не зависит от температуры (область истощения примеси). Воспользовавшись этими предположениями, а также формулой (1), получим после ряда преобразовании:

к

у

[Л 1 , г 0.7Э37(о'а + 1.б370) ГТ 1

(б)

где Ду=у -у . Эта величина должна быть достаточно мала.

ка

чтобы изменением о, с и N в данном интервале можно было

Р ее

пренебречь.

Уравнение (б) решается относительно а, а затем наиденное значение подставляется в уравнение:

, пХ

С03 ( уЩ

" = -^ -—-: ехр [- а сх^-х^)] , (7)

<1-Х14) СОВ £ V»/?!

1 п (¿от ) 1п(Т /Т )

причём X = -— = X - -=——,

81 _ э 11 . а

2 а 4 сг

которое решается относительно X . Затем из определения X

и н

находится постоянная времени ПС тц при температуре Т и

поверхностном потенциале у .

Палее находится поперечное сечение захвата дырок на ПС по

следующей формуле (для электронов в полупроводнике п-типа

аналогично):

Наконец, для плотности ПС имеем уравнение (1), в которое надо подставить экспериментальное значение нормированной проводимости при температуре Т и поверхностном потенциале у , а также

1 «I

наиденные значения о и X • Решив уравнения (1), (б)-(8), находим значения граничных параметров МДП-структуры для интервала от у до у . Аналогичную процедуру можно провести и для других интервалов

93

поверхностного потенциала, лежавих в области обеднения. Метод двухтемпературнои полной проводимости имеет неоспоримые преимуиества, связанные с простотой аппаратурной реализации и численных расчётов.

Далее рассматривается новая методика построения теоретических ВФХ неоднородно легированных МДП-структур. основанная на численном решении уравнения Пуассона для произвольного распределения примеси в полупроводнике. Пусть подзатворная область полупроводника легирована неоднородно с произвольным распределением примеси

*-(х) = М(х)/гу. В этой случае уравнение Пуассона для безразмерного изгиба зон у имеет вид:

йяу

(IX" 2Ь"

а

■*(х) |еу " - х<х> -

(9)

Численные эксперименты показывают, что решение этого уравнения со стандартными граничными условиями ( у(0)= уе; у(оо) = 0; у'(оо)=0) неустойчиво. Для повышения устойчивости численного решения задачи целесообразно свести её к задаче Коши с начальными условиями!

У(0) = уе! у'(0) = у'е . (10)

Эта задача решается методом Рунге-Кутта с переменным шагом.

Начальное условие у' для каждого значения у подбирается методами

» в

пристрелки и половинного деления, подробно описанными в главе 2.

После нахождения пристрелочного значения у' решается задача

*

(9)-(10) при следующей значении у^. Таким образом у^ является Функцией у . то есть получаем набор значений у' = {(у ).

с еж

Зная численную функцию у^ = {(ув). можно расчитать плотность пространственного заряда в полупроводнике 0 и дифференциальную

ее

ёмкость 0ПЗ С по следуюдим формулам:

ВС

КТ кТ

- {(у.) . (11)

О В О Е

ч д

ч (Ю <Шу )

---— 55 с *-— ■ (12)

■ И йу ° ' бу

в &

Полная ёмкость МДП-структуры находится по формуле для последовательно включенных емкостей диэлектрика С. и

а

пространственного заряда полупроводника Све-

Приложенное к металлическому электроду управляющее напряжение У^ делится между диэлектриком и полупроводником и определяется следуюиим соотношением!

0ве(у ) кТ V (у ) ---В ■- + - У . (13)

с, , »

После нахождения численных зависимостей С(у ) и V (у ) можно

в 9 «

рассчитать теоретическую НЧ ВФХ.

Для расчёта ВЧ ВФХ достаточно пренебречь вкладом неосновных носителей в уравнении (9). Это связано с тем, что заряд неосновных носителей в инверсионном слое при высокой частоте тестового сигнала

- il -

не успевает изменяться за время порядка периода тестового сигнала,

что объясняется инерционностью генерационно-рекомбинационных

процессов в полупроводниках. В то же время заряд инверсионного слоя

участвует в экранировании внешнего электрического поля, поэтому

зависимость V (у ), используемая при расчёте ВЧ ВФХ, имеет тот же Я s

вид, что и в низкочастотном случае.

Дополнительно бил проведён расчёт высокочастотных ВФХ по

методике Нахмансона. Результаты расчётов высокочастотных ВФХ по

двум описанным методикам, основанным на численной решении уравнения

Пуассона для произвольного профиля легирования, практически

совпадают. Это свидетельствует о возможности обобщения

эквивалентной схемы Нахмансона на случая неоднородно легированной

подзатворной области. Сравнение теоретических и экспериментальных

C'V кривых говорит о том, что численное решение уравнения Пуассона

существенно уточняет теоретические ВФХ и, следовательно,

увеличивает точность определения электрофизических параметров

МЯП-структур с ионно-имплантированнои подзатворнои областью.

Важным фактором в полупроводниковой технологии является также

контроль малых доз при ионном легировании. Наиболее приемлемой с

точки зрения промышленного применения можно считать методику,

основанную на определении соотношения минимальной и максимальной

емкостей (С . /С ) высокочастотной (ВЧ) ВФХ МДП-структуры, ггл-п так

профиль распределения примеси N(x) в подложке которой с удовлетворительной точностью можно считать Гауссовским:

N(x) = — ■■ - ехр

2п

x+(R -d )(AR /AR )

pi он рж pl

2 AR Я

pa

± NB. (14)

где D - доза имплантированной примеси; R , R . AR , AR

pa pi pa p»

средние нормальные пробеги и их дисперсии в кремнии и окисле

соответственно; N - исходная (до имплантации) концентрация примеси в

з подложке. Реальная максимальная ширина ОПЗ W отличается от зеличины W . которая получается для эффективной однородно

о

пегированнои структуры с концентрацией No, определяемой из зоотношения С . /С .С учётом этого можно записать равенство:

min mcuc

<1 •(•« ох

Щх)с1х = N И

О о

а

В (15) входят две неизвестные величины: реальная ширина ОПЗ Н и, через соотношение (14), доза имплантированной примеси О. Таким образом, для нахождения й необходимо иметь ещё одно независимое уравнение.

Поскольку рассматриваемые системы в целом электронеитральны, их электростатические потенциалы определяются главным образом дипольными моментами. Поскольку электростатические потенциалы обеих рассматриваемых структур на больших расстояниях от поверхности полупроводника одинаковы (близки к нулю), можно приравнять дипольные моменты реальной и эффективной МДП-структур и получить уравнение:

I

N V

ХГЦХ)ЙХ = -^(Н +2(1 ).

2 О ох

(16)

Равенства (15) и (16) образуют систему уравнении, которую можно привести к виду, удобному для численных расчётов:

N и - К Н о о в

ег£

ег{(Ь)

и

ей

МИ Г- +(1 И Г—+с! -а]

8 I 2 ° ° I 2 о*;

где а = с! -й "I ГдЯ /АН 1; Ь = (сЗ -а)/с; с = У2тГ4 ДН

ОХ ( р! I. Р8 р1 J ох

ехр(-Ь )-ехр

(17)

Кг -Л

= 0

еП (?)

- интеграл ошибок.

Численное решение системы (17) даёт искомую величину дозы О. Результаты численных расчётов дают довольно хорошее соответствие с экспериментальными значениями дозы, если она составляет; для бора -не более 0.22 мкКл/смя, для фосфора - не Более 0.3 мкКл/сма. При этом погрешность в расчёте дозы не превышает 6-7?. для принесен обоих типов. Если дозы больше указанных, рассчитанная доза будет

2

в

О

занижена по сравнению с реальной.

В третьей главе описан созданный ИВК, позволяющий производить комплексные исследования и оперативный контроль электрофизических характеристик МОП-изделии в условиях серийного производства.

На сегодняшний день разработан ряд автоматизированных установок (например, установка НР4140В фирмы Keulett Packard), основанных на измерении ВФХ различными способами, которые можно использовать для контроля в производстве полупроводниковых приборов. Однако, высокая стоимость, сложность конструкции и эксплуатации сдерживают их применение в условиях промышленного производства. В разработанном измерительно - вычислительном комплексе (ИВК) компактность, простота и минимальная стоимость сочетаются с высокой информативностью и точностью получаемых результатов.

В состав ИВК входят: измеритель иммитансов Е7-12, ПЭВМ РС/ХТ/АТ, зондовое устройство.

Основные технические характеристики ИВК

Диапазон измеряемой ёмкости, пФ ......................... 1-10°

Диапазон измеряемой проводимости. См ................... 10-7-2

Основная погрешность измерения

ёмкости и проводимости, % ...................... ± 0.02

Время одного измерения, мс................................ 500

Амплитуда тестового сигнала, мВ ............................ 25

Частота тестового сигнала, МГц .............................. 1

Возможность подачи на затвор исследуемого образца двуполярного налряжения смешения относительно подложки.

Для управления измерителем от ЭВМ через канал общего пользования (КОП) разработано устройство согласования (УС), представляющее собой стандартный модуль, устанавливаемый в одну из свободных позиции материнской платы ЭВМ. Функционально УС состоит из трех независимых блоков - схемы депифрации, адаптера КОП и цифро-аналогового преобразователя (ЦАП). УС представлено для процессора как четыре программно доступных регистра - регистр команд и состоянии КОП, регистр данных, два регистра ЦАП. Адаптер выполняет по отношению к магистрали КОП функции источника, приёмника и контроллера, осуществляет аппаратную поддержку протокола обмена данными и вырабатывает сигнал готовности к обмену.

Двенадцатиразрядныи ЦАП формирует выходное напряжение в диапазоне (-10. 24. . .+10. 24)В с минимальным шагом 5 мВ, которое через измеритель Е7-12 подается на исследуемую структуру. Рассмотренная здесь конфигурация ИВК является минимальной и при необходимости может быть легко расширена.

В программное обеспечение (ПО) ИВК входит пакет системных и прикладных программ, написанных на языке Turbo Pascal, которые осуществляют взаимодействие с пользователем, контроль работоспособности установки, управление процессом измерении, обработку и статистически« анализ измеренных характеристик с выводом результатов на монитор или печатающее устройство.

ИВК позволяет проводить комплексные исследования МДП-структур методами равновесных ВЧ C-V и G-V характеристик. Для структур с достаточно большим временем релаксации (более 5 сек.) возможно использование импульсных методик. Оригинальныи алгоритм ожидания термодинамического равновесия при снятии равновесных характеристик существенно ускоряет процесс измерении- Высокую точность результатов обеспечивает широкий набор методологических приёмов и программных средств. Алгоритм расчёта теоретической ВФХ для структур с неравномерным распределением примеси в полупроводнике основан на численном решении уравнения Пуассона и позволяет производить прецизионныи контроль электрофизических параметров МОП-элементов с неоднородно легированной подзатворнои областью. В частности, возможен взаимный учёт влияния распределения примеси в полупроводнике при спектроскопии поверхностных состоянии (ПС) и дифференциальной плотности граничных состояний при контроле профиля легирования. Обработка экспериментальных данных проводится с использованием различных методов сглаживания.

Реализованные методики расчёта позволяют определять следующие параметры МОП-структур:

- толщину окисла:

- тангенс угла диэлектрических потерь;

- величину Эффективного поверхностного заряда в окисле;

- интегральную плотность и энергетическии спектр поверхностных состоянии;

- равновесные и кинетические параметры ПС (эффективные сечения захвата, времена перезарядки поверхностных ловушек, гетерогенность характеристик и др.);

уровень легирования подложки или (в случае неоднородного легирования) профиль распределения и дозу введенной примеси( напряжения: плоских зон, инверсии и пороговое; генерационно-рекомбинационные характеристики.

Подготовка к измерению и процесс измерения проводится в режиме налога оператора с ЭВМ. На дисплеи выводится вся необходимая ^Формация, руководствуясь которой оператор проводит измерения, орректность проводимых измерении анализируется программой, и в лучае необходимости выводятся соответствующие сообщения с екомендациями действии оператора в каждом конкретном случае.

Эксплуатация разработанных систем измерения в условиях роизводства позволила сократить время отработки технологии изделии лектроннои техники, повысить качество и надежность МОП БИС.

В четвёртой главе приведены результаты экспериментального сследования влияния различных технологических факторов (химическои брзботки, окисления, ионнои имплантации, плазмохимического равления и др.) на электрофизические параметры тестовых структур и :арактеристики готовых приборов и интегральных схем. Описаны етодики межоперационного контроля и оптимизации технологических [роцессов с помощью созданного ИВК в условиях массового роизводства некоторых типов МОП БИС. Рассмотрены возможности 1птимизации технологии изготовления МОП-изделии на основе втоматизированного межоперационного контроля.

Исследования показали, что использование ИВК и более овершенных методик расчёта электрофизических характеристик МДП-труктур (в частности, структур с неоднородно легированной :одложкои) позволяет существенно улучшить режимы проведения ехнологических операции и более корректно интерпретировать :олучаемые результаты. В частности, установлено, что расчёт 1нергетического спектра поверхностных состояния диФФеренциальнын втодом Термана для неоднородно легированных структур с [спользованием теоретических ВЧ ВФХ, рассчитанных в приближении |ффективнои концентрации примеси в подложке, приводит к появлению ложных" моноуровнеи ПС. Использование же теоретической ВФХ, читываюиеи реальное неоднородное распределение ионно-[мплантированнои примеси показывает, что спектр плотности ПС вазинепрерывен. В рамках модифицированной методики Термана

проведено исследование зависимости поверхностного заряда энергетического распределения ПС и других параметров структу] А1-310 от величины дозы легирования ионов фосфорэ и бора i

в

диапазоне (0,02 + 0,15) мкКл/см . Исследования показали, чп спектры нелегированных образцов имеют типичныи для этого класс! обработок вид - минимальные значения ^ (Е ' вблизи изгиба зон равного обьбмному потенциалу Л (1з 0= 10,3 + 10,6), ]

В ВС

наблюдается достаточно резкое возрастание плотности граничны; состоянии к краям энергетических зон полупроводника Е и Е

С 4

(1 £ 0 ■ 11,5 + 12,5). Энергетический спектр граничных состояли! легированных образцов характеризуется более равномерны! распределением, однако среднее значение 1® значительж

превышает соответствуюдую величину для нелегированных образцов. Вне зависимости от дозы облучения в пределах от 0,02 до 0,15 мкКл/см обдее воздействие процесса ионного легирования сводится к введенш вблизи значения новых граничных состоянии, численнс

характеризуемых величинои Д1х й « 1,6 + 1,8.

Проведены исследования различных режимов химобработок нг качество системы 61-510 • Сравнивались результаты для несколько

а

технологических линии и различных конбинации реактивов и режимоЕ

обработки пластин. Установлено, что последовательное применение

отмывок "Каро" и ПАС позволяет уменьшить величину N „ нг

евхф

11 —а

(1+2)х10 см по сравнению с другими видами отмывок. Также

установлено, что применение гидромеханической отмывки позволяет пр*

прочих равных условиях уменьшить величину и повысит!

стабильность системы 61-210 . В ходе проделанной работы ввeдë^

в

интегральный критерии качества, позволяюиии проводить аттестацих технологического оборудования и сравнение различных технологических участков и режимов работы в условиях серийного производства ИС.

Исследовано влияние различных режимов окисления и плазмо-химического травления на величину эффективного поверхностного заряда О ..и подвижного заряда в диэлектрике О , Показано, чте

ЕЕЭДО Ш

низкое качество очистки газов, используемых при операции термического окисления, приводит к необходимости завышенного расхода НС1 для уменьшения величины О и разброса значении О „

ТП

при операции отжига в среде азота. Для операции ПХТ исследована зависимость величины Эффективного поверхностного заряда О „ от

££Эфф

мощности разряда и давления рабочего газа. Установлено, что

зависимость от новности разряда имеет минимум в диапазоне

мощностей от 580 до 640 Вт. Зависимость 0 „от давления рабочего

ССЭфф

газа линеина и возрастает с ростом давления. Полученные результаты позволяют сделать вывод о возможности оптимизации данных технологических процессов для уменьшения величин О и Q и

m всэфф

необходимости регулярного контроля за состоянием технологических участков.

Предложена и апробирована методика контроля малых доз ионного пегирования, позволяющая контролировать дозы величиной порядка Э,05 мкКл/сма. Данная методика обладает хорошей точностью и зкспрессностыо и позволяет контролировть величину дозы и равномерность операции ионного легирования непосредственно на рабочих пластинах. Использование данной методики позволило уменьшить величину разброса дозы ИЛ до 4% путём подбора режима остановки ИЛ и в значительной мере компенсировать дрейф пороговых «пряжении, вызванный изменением зарядовых свойств окисла.

Разработана методика межоперационного .контроля электрофизических характеристик тестовых МДП-структур для прогнозирования ia ранних стадиях изготовления рабочих параметров готовых изделии, тапример, порогового напряжения транзистора с индуцированным <аналом и тока стока насыщения транзистора со встроенным каналом, ^личие корреляционной связи между указанными характеристиками в замках одного технологического цикла позволяет определить значения эыходных параметров сразу после формирования поликремниевого затвора у тестовых МОП-конденсаторов. Это даёт возможность эперативно корректировать технологический процесс и проводить эаннюю разбраковку выпускаемых изделии.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработана комплексная методика, удобная для 1втоматизированного исследования важнейших электрофизических «арактеристик МЯП-структур (ö^, X, Ым, VrB, VT и др.) методами 34 ВФХ и полного импеданса.

2. Теоретически обоснована и экспериментально отработана новая !етодика расчёта энергетического спектра поверхностных состоянии, ix поперечных сечении захвата и параметра флуктуации поверхностного ютенциала, основанная на численной обработке кривых нормированной 1Роводимости, полученных при двух различных температурах. Методика

характеризуется высокой чувствительностью и может определят плотности ПС около 10е си-ааВ"1. Првимуяества нового мвтод| заключаются в упровении численных расчётов и простоте ег< аппаратурной реализации. Предложен экспресс-метод определени: кикронеоднородности поверхностных параметров МДП-структур дл: контроля качества МДП-иэделии в условиях промышленной производства.

3. Теоретически обоснована и экспериментально отработан; методика контроля дозы ионно-имплактированноя примеси по отношени! минимально« и максимальной ёмкостей тестовой МДП-структуры н< высокой частоте. Показано, что модификация известного способ; приводит к уменьшению погрешности контроля малых доз от 15-20% д< 6-7%. Методика позволяет контролировать дозу имплантации бора I Фосфора до величин, не превыиакодих 0,22 и 0,3 мхКл/см' соответственно при легировании двухслойной структуры Б10,.-31.

4. Разработан и создан автоматизированный измерительно-вычислительныи комплекс (ИВК), позволяюдии проводить комплексны« исследования МДП-структур методами БЧ ВФХ и полной проводимости. Комплекс реализован на базе измерителя иммитансов Е7-12 и допускает измерение ёмкостей в диапазоне 1-108 пФ с точностью не хуже 0,02%. Пакет базового программного обеспечения содержит набор процедур V функции для получения, обработки и хранения данных.

5. Разработаны прикладные программы для исследования ^ оптимизации технологии МОП-ИС. аттестации базовых технологически процессов, межоперационного контроля электрофизических параметроЕ тестовых МДП-структур.

6. Проведены исследования влияния различных технологически* операции (ионного легирования, химобработки, окисления, плазмо-химического травления) на свойства системы 31-610 . В частности, е

3

рамках модифицированной методики Термана проведены исследовани* зависимости поверхностного заряда и энергетического распределени* поверхностных состоянии (ПС) от величины дозы легирования ионое бора и фосфора в диапазоне (0,02 -5- 0,15) мкКл/сма. Показано, чтс сильное легирование не приводит к появлению новых моноуровнеи ПС. Возрастание величины 0 на 1-1,5 порядка, вызванное возрастанием

се

напряжения связей после термического отжига, приводит к сглаживаник кривой распределения 0ве и не зависит в пределах погрешности от величины дозы. Предложена численно-аналитическая модель расчёта

юрогового напряжения для ионно-легированных структур, учитывающая ауссовскии профиль имплантированной и отожжённой примеси, 'азработаны методики аттестации технологического оборудования ¡роцессов химобработки, окисления и плазмохимического травления, юзволяющие улучшить воспроизводимость параметров системы S1-S10 .

а

7. Предложена методика межоперационного контроля электро-изических параметров тестовых МОП-структур, позволяющая рогнозировать ряд выходных параметров МОП-ИС на ранних стадиях ехнологического цикла. Использование данной методики позволяет роизводить оперативную корректировку и оптимизацию ехнологического маршрута, анализ причин брака и влияния отдельных ехнологических операции на выходные параметры рабочих изделия.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

1. Chlstov Yu. S., Bormontov E-N., Baev A. A.. Golovln S.V. ystems and metrologlcal principles of the projecting of Interface nd facilities for silcrotechnologleal processes control. / Interna-lonal Conference on Advanced and Laser Technologies. Part 1.

оscow. 1992. P. 113-116.

2. Bormontov E.N., Baev A. A., Golovln S.V., Chlstov Vu. S. easuring-computlng complex for diagnostics and Investigations of OS LSI technology. / International Conference on Advanced and aser Technologies. Part 5. - Moscow. 1992. P. 15.

3. Бормонтов E.H., Головин C.B., Чистов Ю.С. Полная роводимость и свойства границы раздела ионно-имплангированных труктур M-S10-S1. / В кн. 'Физика и технология материалов

а

лектронноя техники". - Воронеж: ВПИ. 1992. С. 4-10.

4. Бормонтов E.H., Гафаров Р.Х., Головин C.B., Чистов Ю.С. равнительное исследование МДП-структур <M-S10a-Si) с различными ифференциальными проводимостями. / В кн. 'Физика и технология атериалов электронной техники". - Воронеж: ВПИ. 1992. С. 11-16.

5. Баев A.A., Бормонтов E.H., Головин C.B., Хухрянскии А.Ю. кспресс-контроль малых доз ионнои имплантации. / Тезисы докладов еждународнои конференции "Физические аспекты надёжности, методы и редства диагностирования интегральных схем". - Воронеж. 1993. С. -8.

6. Baev A.A., Bormontov Е.N., Golovln S.V., Synorov V.F. A

model of n-channel HOSFET integral Inverter. / The Thlrc International Seminar on Simulation of Devices and Technologies. Obninsk. 1994. P. 60-61.

7. Bormontov E.N., Golovin S.V., Lezhenin V.P., Synorov V.F. Quasl-monodlmensional numerical-analytic model of MOSFET wltl nonuniformly doped sub-gate rejion. / The Third Internationa] Seminar on Simulation of Devices and Technologies. - Obninsk. 1994. P. 68-69.

8. Баев А.А., Бормонтов E-H., Головин С.В., Леженин В.П., Лукин C.S., Сап И-В. Расчет идеальных вольт- Фарадных характерисп» МДП- структур с неоднородно легированной подложкой. / В кн.: "Физика и технология материалов и изделии электронной техники". Воронеж. 1994. С. 113-116.

9. Баев А.А., Бормонтов Е.Н., Головин С.В., Леженин В.П. Исследование корреляционной связи статических параметров тестовые транзисторов МОП-ИС. / В кн.: 'Физика и технология материалов * изделии электронной техники". - Воронеж. 1994. С. 152-155.

10. Бормонтов Е.Н. , Головин С.В., Котов В.В. Измерительно-вычислительныи комплекс для экспресс- контроля электрофизически* параметров и исследования технологии МОП-ИС. J Электронна? промышленность. 1994. Вып. 4-5. С. 120-121-

Заказ 137 от 13.4.95 г. Тир. 100 экз. Формат 60 X 90 1/16. Объем I п.л. Офсетная лаборатория В1У.