автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Разработка статистического метода контроля дефектности рабочих пластин на основе моделирования выхода годных и его применение при анализе и прогнозировании производства изделий микроэлектроники

ПОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ /ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ/

Р Г Б ОД

На правах рукописи

РАДАЕВ АЛЕКСАНДР АНАТОЛЬЕВИЧ

РАЗРАБОТКА СТАТИСТИЧЕСКОГО МЕТОДА КОНТРОЛЯ ДЕФЕКТНОСТИ РАБОЧИХ ПЛАСТИН НА ОСНОВЕ МОДЕЛИРОВАНИЯ ШОДА ГОДНЫХ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ ПРИ АНАЛИЗЕ И ПРОГНОЗИРОВАНИИ ПРОИЗВОДСТВА ИЗДЕЛИЯ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ

Специальность 05.27.01 - твердотельная электроника

и микроэлектроника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1994

Работа выполнена в акционерном обществе "Научно-производственное предприятие "Сапфир". ... ••

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор АЛЛДИНСКИЙ В.К.

Консультант: кандидат физико-математических наук

ТИТОВ М.Н.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор КУЗШИН В.А.,

кандидат технических наук, доцент КОРНЕТОВ В.Н.

Ведущая организация: акционерное общество "Старт" /г.Москва/

Защита состоится '40 " 1995 г. в аудитории

Г-403 в /5* час. 00 мин. на заседании специализированного Совета Д.053.16.06 Московского энергетического института /Технического университета/.

Отзыв в двух экземплярах просим направлять йо адресу: 105835 ГШ, Москва, Е-250, Красноказарменная ул., д.14, Совет МЭИ. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Автореферат разослан "/р Справки по телефону: .

199 Уг.

Ученый секретарь специализированного Совета

Д.053.16.06 ^

кацц.физ.-мат.наук, доцент Д- И.А.КАРЕТНЖОВ

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы.

Характерной особенность!) развития производства изделий микроэлектроники /ШЭ/ на современном этапе является неуклонное увеличение степени интеграции элементов на кристалле. По мере повышения степени интеграции и приблкжепия к субютронным размерам элементов ШЭ существенно возрастает отрицательная роль дефектов различного происхождения; что проявляется в значительной увеличении флуктуация случайных процессов /нарушений/ на технологической линейке^-Эти нарушения вызывают нестабильность и значительные потери выхода годных ИМЭ, что приводит к падению эффективности юс производ-ства^ Выявление и классификация нарушений технологического процесса - нетривиальный вопрос, поскольку существующие методы контроля качества полупроводниковых пластин несмотря на свою оперативность либо не позволяют учитывать технологические факторы снижения выхода годных /оптические методы/ либо используются только на плао-тинах-спутниках и не позволяют определять флуктуацию технологических факторов на рабочих пластинах /тестовые методы/. Существую-вще методы контроля не учитывают влияние нарушений технологии на функциональные способности и электрические параметры изготавливаемых ШЭ, и следовательно на выход годных, сквозь призму проектирования кристалла, в то время как этот фактор прямо влияет на эффективность производства ШЭ.

Для анализа дефектности производства ИМЭ должна использоваться информация о локальных и глобальных нарушениях, позволяющая рассчитывать вероятность появления годных/дефектных ИМЭ. При этом оценка нарушений должна происходить в терминах признаков появившихся дефектов, а не самих дефектов ввиду малого размера и низкой наблюдаемости последних с помощью стандартной измерительной техники. Отсюда очевидна необходимость наличия в производстве кристаллов ИМЭ эффективного метода контроля дефектности рабочих пластин. Эффективность этого метода подразумевает, что он должен быть нераэрушапцим, а собранные в ходе контроля данные должны быть оп-ределящими в рамках технологического маршрута, то есть они должны воспроизводить "наблюдаемую" технологию, и набор их должен быть минимальным, поскольку операции по их сбору увеличивают стоимость технологии ИМЭ.

Указанные проблемы делают актуальной разработку статистичео-кого метода контроля дефектности рабочих пластин на основе моделирования выхода годных. Решение этой задачи будет способствовать повышению эффективности анализа и прогнозирования производства ИМЭ.

Дель работы.

Основной задачей настоящей работы является разработка статистического метода контроля дефектности рабочих пластин на основе моделирования выхода годных, позволяющего на базе учета локальных и грубых дефектов достоверно анализировать и прогнозировать производство изделий микроэлектроники.

Научная новизна.

1. На основе анализа экспериментальных данных о характере распределения годных кристаллов ИМЭ на пластинах и теоретических оценок в качестве универсальной статистической модели выхода годных ИМЭ; учитывающей потери продукции за счет локальных /микро-/ и грубых /макро-/ дефектов, предложено пуассоновское распределение с введением в него коэффициента, пропорционального выходу годных.

2. Для вычисления составляющих модели выхода годных ИМЭ /средней плотности микродефектов А/ и коэффициента К , учитывающего макродефекты/ разработана оригинальная методика, основанная на экспериментальном подсчете на рабочей пластине долей годных кристаллов размерности Л7£ /лг} = 1,2,3,...; 5 - площадь кристалла ИМЭ/ горизонтальной и вертикальной ориентации. При этом установлено, чт< максимально рассматриваемое значение т определяется общим числом кристаллов ИМЭ на пластине и требуемой величиной погрешности расчета составляющих модели.

3. Проведен анализ погрешности методики расчета составляющих модели. Рассмотрены факторы, обусловливающие эту погрешность и связанные с существованием у пластины: области макродефектов, ограниченной площади, низкого выхода годных и малого общего числа годных кристаллов ИМЭ. Проведена оценка относительной погрешности методики при наличии на пластине области макродефектов и одновременной флуктуации микродефектов. Показана достаточность использования значений /77= 1,2,3 для вычисления составляющих модели с погрешностью не более 135?.

4. На базе методики расчета составлявдих модели определен перечень основных статистических параметров, характеризующих дефектность индивидуальной пластины с готовыми кристаллами ИМЭ.

5. Установлено, что стабильность технологии, оцениваемая по

величине флуктуации выхода годных кристаллов ИМЭ, определяется флуктуацией: средней плотности микродефектов, размера области макродефектов, технологических потерь, а также случайным характером распределения микродефектов на пластине. При этом установлено преимущественное влияние макродефектов на стабильность технологии изготовления дискретных приборов и преимущественное влияние микродефектов на стабильность технологии изготовления ИС.

6. Показана возможность реализации анализа и прогнозирования производства ИМЭ с помощью предложенной модели выхода годных. Для широкого класса ИМЭ проведен расчет флуктуации выхода годных кристаллов, установлено хорошее совпадение теоретических и экспериментальных значений этого показателя.

Практическая ценность и внедрение результатов работы.

На основании результатов исследования применяемости предложенной статистической модели выхода годных для описания распределения микро- и макродефектов на индивидуальных рабочих пластинах разработан статистический метод контроля дефектности этих пластин, позволяющий достоверно анализировать и прогнозировать производство изделий микроэлектроники. Получено экспериментальное подтверждение предложенной модели выхода годных для широкого класса ИМЭ /транзисторов, стабилитронов, светодаодов, КМОП БИС, а- ир-МОП БИС, биполярных ИС, БИС ЗУ ЦМД/, позволяющее рассматривать ее в качестве универсальной модели, а разработанный на ее базе статистический метод контроля дефектности рабочих пластин - в качестве универсального метода технологического контроля. Получены результаты, свидетельствующие о наличии существенно малой величины погрешности расчета параметра Ы по сравнению с величиной его флуктуации для отдельных частей индивидуальной пластины и позволявдие рассматривать разработанный метод в качестве наиболее тонкого инструмента анализа производства ИМЭ» При использовании вычислительной техники разработанный метод контроля позволяет без дополнительной трудоемкости получать информации о влиянии микро- и макродефектов на выход годных ИМЭ и устанавливать для производимых и вновь разрабатываемых ИМЭ конструктивно-технологические ограничения по дефектности. Указанный метод может быть применен на стадии межоперационного контроля технологии и является эффективным средством при анализе и прогнозировании производства ИМЭ с регламентированным объемом изготовления.

Составлен пакет программ для расчета на ЭШ дефектности рабо-

чих пластин, а также для анализа и прогнозирования на базе результатов этого расчета технико-экономических показателей производства кристаллов ИМЭ.

Результаты, представленные в диссертационной работе, были использованы в ОКР "Дефектность", выполненной в НИИ "Сапфир" на основании писька ГТУ-2 й Э-02-1518 от 16.05.88.

Разработанный метод и составленный на его базе пакет программ внедрены на предприятиях: завод им. 50-летия СССР /г.Александров/, завод им. 50-летия СССР /г.Фрязино/, ПО "Альфа" /г.Рига/, ПО "Ро-дон" /г о Ивано-Франковск/, НПО "Старт" /г.Москва/. Годовая экономическая вффективность от внедрения на ПО "Родон" в 1990 т. составила 103267 руб. 55 коп., на НПО "Старт" в 1991 г. - 212000 руб; 00 коп.

Основные научные положения, выносимые на зедщту.

1. Построение статистической модели выхода годных ИМЭ.

2. Определение составляющих модели на основании экспериментальных данных о распределении годных кристаллов ИМЭ на индивидуальной пластине.

5. Определение погрешности методики расчета составляющих модели.

4. Определение перечня основных статистических параметров, характеризующих дефектность индивидуальной рабочей пластины.

5. Анализ влияния флуктуаций технологических'потерь, микро-

и макродефектов на стабильность технологии изготовления кристаллов ИМЭ.

6. Расчет и сравнение теоретических и экспериментальных значений флуктуации выхода годных кристаллов ИМЭ.

Апробация работы.

Основные положения диссертации доложены на втором совещании МЭП по разработке и внедрению электрофизических методов диагностики интегральных микросхем /Брянск, 1988 г./; совещании МЭП по анализу уровня дефектности производства полупроводниковых приборов и интегральных микросхем /Александров, 1988 г./; конференции молодых ученых и специалистов НИИ "Сапфир" /Москва, 1989 г./; одиннадцатой научно-технической конференции молодых ученых и специалистов /Ленинград, 1990 г./.

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 8 работ, отражающих ее содержание.

Структура и объем диссертации.

Диссертация изложена на 155 страницах машинописного текста и состоит из введения, 5 глав, выводов и списка литературы, включающего 104 источника. Работа содержит 42 рисунка, 14 таблиц и 3 приложения.

I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

Анализ литературных источников показал, что ключевой проблемой разработки статистического метода контроля дефектности рабочих пластин является моделирование выхода годных. Литературные сведения о подходах при решении этой проблемы весьма противоречивы. Известно два принципиально различных подхода: микроскопический и макроскопический. При первом подходе кристалл ИМЭ рассматривается как совокупность областей, отличающихся по типу поражающих дефектов, а выход годных ИМЭ - как сложная функция топологии ИМЭ и физических характеристик дефектов. При втором подходе кристалл ИМЭ рассматривается как единое целое и характеризуется одной величиной - площадью, а выход годных определяется как функция площади кристалла и интегральной плотности дефектов. В основе микроскопического подхода лежит понятие критической площади, или критической области, определяемой размерами поражаемого элемента и поражающих дефектов. На самом деле введение данного понятия целесообразно лишь в случае электрически активных дефектов. Однако для электрически активных дефектов понятие размера дефекта теряет смысл, поэтому под критической областью можно понимать всю площадь тестовой структуры /монитора/. Данное обстоятельство позволяет разрешить противоречие между определением выхода годных ИМЭ как функции площади кристалла и интегральной плотности дефектов /макроскопический подход/ и определением этого параметра как функции топологии ИМЭ и физических характеристик дефектов /микроскопический подход/. Это противоречие может быть разрешено, если в качестве мониторов использовать кристаллы ИМЭ, а дефекты рассматривать как электрически активные и определять их интегральную плотность по результатам функционального контроля этих кристаллов. Такое решение позволяет учесть два существенных недостатка микроскопического подхода: игнорирование топологии ИМЭ и игнорирование грубых дефектов, вызванных глобальными нарушениями технологии. Реализация этого решения должна основываться на статистическом законе распределения дефектов, позволяющем учитывать влияние локальных и грубых дефектов на выход годных ИМЭ.

Проведенный по литературным источникам анализ известных статистических распределений показывает, что они практически непригодны Мя контроля дефектности рабочих пластин.

2. ПОСТРОЕНИЕ СТАТИСТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ВЫХОДА ГОДНЫХ ИМЭ И РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ЕЕ С0СТАВЛЯИ1Щ

Исходным пунктом при построении статистической модели выхода годных ИМЭ явилось положение о существовании на пластине, прошедшей полный цикл технологической обработки, областей двух типов: области локальных дефектов /микродефектов/ и области грубых дефектов /макродефектов/. Основным признаком первой области является равновероятное в ее пределах распределение годных кристаллов ИМЭ, что определяется физической природой ее образования - наличием микродефектов, распределенных по равновероятному закону. Основным признаком второй области является отсутствие в ее пределах годных кристаллов ИМЭ. Природа образования микродефектов обусловливается присутствием пыли и других микрочастиц окружающей среды в процессе технологической обработки пластин, локальным пробоем диэлектриков, проколами и дефектами фотошаблонов и т.д. При этом считается, что размер микродефектов меньше площади кристалла. Образование макродефектов может быть вызвано отклонением толщины, сопротивления и других электрофизических параметров технологических слоев пластины, рассовмещением фотошаблонов. Приведены экспериментальные результаты, подтверждайте природу образования областей микро- и макродефектов.

Существование на пластине областей вышеуказанных типов позволило в качестве статистической модели выхода годных ИМЭ предложить модель вида:

Р = К- ехр(-\)) /2.1/

где К - размер области, свободной от макродефектов /в долях от площади пластины/;

А= £■•// - среднее число микродефектов на кристалле ИМЭ;

5 - площадь кристалла ИМЭ;

И - средняя плотность микродефектов.

Разработана методика расчета составляющих А/ и К , основанная на построении системы уравнений, исходя из экспериментально

определяемой величины выхода годных кристаллов ИМЭ и характера распределения этих кристаллов на пластине. Последнее обстоятельство учитывается с помощью анализа распределения на пластине многоэлементных кристаллов: двойных, тройных и т.д. При этом годным многоэлементным кристаллом размерности т-З считается кристалл, состоящий из т соседних годных кристаллов ИМЭ площадью ^ . Если в составе многоэлементного кристалла находится хотя бы один бракованный кристалл ИМЭ, то такой многоэлеменгный кристалл считается бракованным. Для описания распределения таких кристаллов используется соотношение вида:

Р(т) = К-ехр(-/пз-М), /2.2/

где Р(т) - выход годных многоэлементных кристаллов размерностью

Учитывая, что для каждого значения /77 выход годных Р(т) определяется экспериментально и независимо как отношение п(тг)/п(то$) /где п(тг) и п(то£)~ соответственно, количество годных и общее количество кристаллов размерности /77 •У на пластине/, искомая система /77 независимых уравнений примет вид:

П =Я0уоб)-К- ехр (-£■ Ы)

П(2г) = п(2/б)К-ехр(~26-^) /2.3/

п (т, Г)=п(т1 о5)-К• ехр(-т-з-//) ^

Решение этой системы относительно составляющих Л/ и К в графическом виде будет представлять наклонную прямую, аппроксимирующую по методу наименьших квадратов координаты /77 независимых экспериментальных точек в масштабе:

р I п (т.г) |

СП. 1п(тоб)) = г/_М /2.4/

-т-5 Ит''

Поскольку в системе координат /2.4/ существует Р1 независимых экспериментальных точек, то величина среднеквадратичного отклонения их от теоретической наклонной прямой ¡^Е позволяет характеризовать степень соответствия характера распределения годных кристаллов ИМЭ статистической модели /2.1/.

Пересечение этой наклонной прямой с осью ординат дает значение составляющей N , а наклон к оси абсцисс - значение составляющей К .

Представлены результаты расчета величин N, К , /?£ , экспери-

ментального и теоретического выхода годных кристаллов для пластин с кристаллами ШОП КИС ИС, показывающие, что статистическая модель /2.1/ достаточно хорошо описывает распределение микро- и макродефектов на пластинах КНС /отношение ЯЕ/Ы для этих пластин не превышает 5%/. Аналогичные данные получены для пластин с кристаллами П-МОП ИС и р-МОП ИС /технология на объемном кремнии/, а также для пластин с кристаллами свегодиодов, что позволяет сделать вывод об универсальности статистической модели /2.1/.

Дана физическая интерпретация составляющей N как средней плотности распределения критических микродефектов на пластине, размер которых, как правило, составляет 0,1 - 0,2 минимального размера элемента кристалла ИС, и составляющей К как размера области, в пределах которой при существующих проектных нормах и нормах на электрические параметры ИС электрофизические параметры технологических слоев пластины обеспечивают 100^-й выход годных кристаллов.

Приведены результаты расчета коэффициента парной корреляции сосгавлящих N и К , подтвервдавщие различие физической природы образования микро- и макродефектов.

Проведен анализ погрешности методики расчета составляющих N и К . Рассмотрены факторы, обусловливающие эту погрешность: наличие у пластины области макродефектов, ограниченной площади, низкого выхода годных и малого общего числа кристаллов ИМЭ, Теоретически установлено, что для пластины с 300-ми кристаллами относительная погрешность методики для /77 = 1,2,3 имеет максимальную величину, равную Определено, что при расчете составляющих модели максимально рассматриваемое значение /77 следует устанавливать, исходя из общего числа кристаллов ИМЭ на пластине и требуемой величины погрешности.

Проведен анализ влияния неоднородности распределения микродефектов на погрешность методики. Поскольку составляющая N рассчитывается на базе предположения о равновероятном /однородной/ распределении микродефектов, а реальное распределение этих дефектов на пластине в большей или меньшей степени характеризуется неоднородностью, то даже при постоянных N и К на любой пластине с вероятностью 0,9 может быть получено число годных кристаллов П.(г) в интервале:

П(г) = П(г,ср)±АГ1 /2.5/

или

п(г) = п(о5)-К- ехр (-З'А/) ±

Для оценки достоверности теоретических результатов, рассчитываемых с помощью выражения /2.6/, был выполнен экспериментальный подсчет годных кристаллов ИС в десяти- и пятикристальных горизонтальных и вертикальных цепочках на пластине, прошедшей контроль функционирования и измерение электрических параметров ИС. Установлено, что минимальное, наиболее вероятное и максимальное числа годных кристаллов ИС в цепочке, рассчитанные с помощью выражения /2.6/, хорошо совпадают с соответствующим экспериментальными значениями.

Для оценки погрешности методики в условиях массового производства кристаллов ИМЭ предложено использовать среднеквадратичное отклонение НЕ и коэффициент определенности СР /0<С^<1/:

где - ординаты экспериментальных точек;

- ординаты точек, принадлежащих теоретической прямой /теоретических точек/; у - среднее арифметическое ординат экспериментальных точек;

П. - количество экспериментальных точек.

3. КОНТРОЛЬ И АНАЛИЗ ДЕФЕКТНОСТИ РАБОЧИХ ПЛАСТИН НА ОСНОВЕ МОДЕЛИРОВАНИЯ ВЫХОДА ГОДНЫХ

Предложенная модель выхода годных ИМЭ и разработанная методика расчета ее составляющих рассмотрены применительно к контролю и анализу дефектности индивидуальной рабочей пластины с готовыми кристаллами ИМЭ. Определен перечень статистических параметров, характеризующих ее дефектность: средняя плотность критических микродефектов N ; область пластины, свободная от макродефектов,К ; коэффициент определенности СР ; среднеквадратичное отклонение 1\Е ; среднее число микродефектов на одном кристалле ИМЭ Л ; выход годных кристаллов ИМЭ при наличии микродефектов 100 А//;

выход годных кристаллов ИМЭ при наличии макродефектов /УК'К-100 /%//'* преимущество горизонтальной последовательности распределения год-

/2.7/

ных кристаллов ИМЭ на пластине перед их вертикальной последовательностью /РН=(РН2+РНЗ)/2- 100 Л/, где РН2 =(Шг г)/пЬ.(2 об))/ (м(2г)/п\/М))-Ш Д/; РИЗ

• 100 /%/\пк(2/г) и.пк(2,о5) - количество годных и общее количество двойных горизонтальных кристаллов; ЛV'(2. г) и количество

годных и общее количество двойных вертикальных кристаллов; йк(:5/г)) ьА{3>о5) - количество годных и общее количество тройных горизонтальных кристаллов; (IV (3 г) и ПУ(3/с5)~ количество годных и общее количество тройных вертикальных кристаллов/; смещение центра масс распределения годных кристаллов ИМЭ по горизонтали ¿>Н и вертикали^ .

На базе ЭЕН "Электроника 100-25" и языка ТОКШИ-А" разработана программа "МёКАА" для расчета дефектности пластин по установленному перечни статистических параметров»

Проведено опробование статистической модели /2.1/ и методики расчета ее параметров применительно к анализу дефектности отдельных частей индивидуальной пластины. Результаты расчета параметра N подтверждают равновероятный характер распределения микродефектов на отдельных частях индивидуальной пластины. Установлено наличие существенно малой величины погрешности расчета параметра N по сравнению с уровнем его флуктуации для отдельных частей индивидуальной пластины^

Рассмотрено применение разработанного статисгического метода контроля и анализа дефектности пластин на стадии межоперационного контроля технологии.

При использовании этого метода на стадии межоперационного тестового контроля технологии в качестве тестового покрытия пластин рассматриваются элементы, специально спроектированные под каждый ее технологический слой и расположенные в обрамлении кристалла.

Приведены результаты расчета статистических параметров дефектности пластин, рассчитанные по результатам контроля на них тестовых П-канальных МОП-транзисторов по параметру "ток стока" для нескольких критериев годности. Установлено, что во всех случаях результаты расчета параметров /V и К характеризуются погрешностью не более 1%, что указывает на хорошее соответствие экспериментальных данных статистической модели /2.1/.

Приведены примеры использования разработанного статистического метода на стадии межоперационного оптического контроля технологии, показывавдие широкие возможности в получении информации для

разработчиков ИМЭ. В этом случае в качестве мониторов дефектов рассматриваются поля зрения пластины. Исследования показали, что контроль дефектов при оптическом просмотре ограниченной площади плао-тины будет одинаково достоверным как в случае определения числа дефектов на этой площади, так и в случае определения на ней доли дефектных участков /участков, содержащих хотя бы один дефект/. Поскольку реальное распределение дефектов на пластинах в той или иной мере отличается от равновероятного, то достоверность оптического контроля становится гораздо выше, если просмотру подвергать не отдельные участки пластины, в всю ее поверхность. При этом в целях снижения трудоемкости контроля целесообразно всю поверхность пластины разбить на участки одинаковой площади /поля зрения/, а сам контроль осуществлять путем определения дефектных полей по указанному выше критерию. Данный подход лег в основу методики экспресо-кон-троля дефектности технологических слоев пластин с помощью установки, созданной на базе микроскопа "Е" /Германия/ с оригинальной приставкой. Проведенная метрологическая аттестация методики и установки позволила оценить погрешность экспресс-контроля на уровне менее 3 см-^ при 120 полях зрения. При контроле пластин по 360 полям погрешность с достоверностью 0,9 не превышает¿1 см-'*.

Для различных значений параметра Ы и для различного числа контролируемых мониторов проведен анализ флуктуации числа появления годных мониторов на пластине. Представлены графические результаты, позволяющие проводить оптимизацию критериев отбраковки пластин на различных этапах межоперационного контроля технологии.

4. СТАТИСТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ВЫХОДА ГОДНЫХ ИМЭ

Статистическая модель /2.1/ рассмотрена применительно к анализу и прогнозированию выхода годных ИМЭ. Поскольку критические микродефекты влияют не на всю площадь кристалла ИМЭ, а лишь на ее эффективную /полезную/ часть, где размещены функциональные элементы схемы, то определение параметра 5 представляет определенную трудность, связанную с учетом топологии кристалла. Однако при прогнозировании выхода годных разрабатываемых ИМЭ на базе анализа производства освоенных ИМЭ /например, при прогнозировании 4-кбит ОЗУ на базе 1-кбит ОЗУ/ нет необходимости в определении абсолютного значения полезной площади кристаллов, вполне достаточно лишь правильно найти отношение:

Т.

5 (Г, Я)

¿(Л, Я) '

/4.1/

где ^(¿¡я)- площадь основной ячейки базовой ИС ОЗУ;

б(п/я) - площадь основной ячейки прогнозируемой ИС ОЗУ;

2- коэффициент уплотнения упаковки ИС ОЗУ.

Коэффициент 7. позволяет учитывать возможное изменение минимального размера элементов у разрабатываемых ИС. Поэтому для расчета выхода годных прогнозируемых ИС целесообразно использовать модель:

По аналогии с соотношением /4.1/, применимым для схем памяти, расчет коэффициента 2. при прогнозировании выхода годных логических ИС и остальных ШЭ можно проводить на базе следующего выражения:

где - минимальный размер базового ШЭ;

¿(п) - минимальный размер прогнозируемого ШЭ.

Если в прогнозируемом ИМЭ не предусматривается изменение проектных норм, то величина 2 принимается равной I.

Установлено, что стабильность технологии, оцениваемая по величине разброса числа годных кристаллов ИМЭ на пластине, зависит от степени флуктуации трех основных параметров: N , К и 8 , где 0<8< I - выход годных пластин /доля пластин от запуска, поступивших на зондовый функциональный контроль кристаллов ИМЭ/, Кроме этого, при постоянных величинах А/, К , В количество годных кристаллов ИМЭ будет флуктуировать из-за того, что распределение микродефектов на пластине носит случайный характер. В связи с вышеизложенным рассмотрены три случая: а/ технология со стабильными параметрами N , К , В ; б/ технология со стабильными параметрами К и В , но нестабильным параметром N ; в/ технология со стабильным параметром N и нестабильными параметрами К и В .

Случай А. Поскольку распределение микродефектов носит случайный характер, то даже при постоянных N и К на любой пластине всегда может быть получено число годных кристаллов в интервале от О

/4.2/

/4.3/

до Л'- Поэтому разброс числа годных кристаллов ИМЭ для пластины, прошедшей весь технологический маршрут, при стабильных параметрах А/, К г 8 определится как:

Л = V- у/к-п(оЕ)- ехр(-гбА/)(1- ехр(-г$М^). /4.4/

Случай Б. В этом случае пренебрегают флуктуацией числа годных кристаллов на пластике из-за случайного распределения на ней микродефектов. При этом полагают, что число годных кристаллов ИМЭ определяется флуктуацией параметра Л/. Поэтому справедливо следующее соотношение:

П(г)= В • /г/Ц/- К-ехр(- /4.5/

где \>/ - коэффициент флуктуации средней плотности микродефектов, показывающий степень изменения этого параметра.

Исследования показали, что уменьшение среднего выхода годных кристаллов ИМЭ на пластине увеличивает его флуктуацию. Установлено, что для отработки технологии с целью увеличения среднего выхода годных кристаллов 1-кбит ОЗУ на 205? необходимо осуществить запуск 32 пластин. В то же время, отработка с этой же целью технологии изготовления кристаллов 4-кбит ОЗУ потребует запуска 500 пластин. Определено выражение для расчета минимального объема запуска пластин С , позволяющего устанавливать наличие положительного эффекта от проведения мероприятий по отработке технологии с целью увеличения в У раз значения произведения К-В /где кг<. 1/(К'В)/ и снижения в V/ раз величины параметра Д/ /где1у>1/:

О

Jmo-PM) + /r-pw(f-piV)

I /4.6/

В-К-П(об) '

р(1)-Г-р(а)

где р(а) = exp(-zsfi/J. p(gJ*e-xpJ(. ZSA//W-Случай В. Для этого случая среднее число годных кристаллов ИМЭ на пластине определяется с помощью выражения /4.5/ в предположении, чтоУ/=1. Величина разброса числа годных кристаллов пропорциональна флуктуациям размера макродефекта К и величины технологических потерь В .

На базе ЭВМ "Электроника 100-25" и языка "BA5IC" разработана программа "MERAB" для статистического анализа и прогнозирования производства кристаллов ИМЭ. Проведен анализ флуктуации выхода годных на партиях пластин с кристаллами транзисторов 2П303 и ИС: KI45 ВБ7, КР580Ш80А, КР18ЮШ86. Отмечается хорошее совпадение теоре-

тической и экспериментальной флуктуации выхода годных.

5. СТАТИСТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПРОИЗВОДСТВА КРИСТАЛЛОВ БИС С РЕЗЕРВИРОВАНИЕМ ЭЛЕМЕНТОВ

Проведено исследование статистической модели /2.1/ для схем с резервированием. Пусть кристалл схемы имеет две основные части: одну - площадью 8(1) с резервированием Я дефектных элементов, на которой допустимое число микродефектов не превышает Я при условии, что один микродефект при попадании на элемент схемы вызывает его отказ, и другую - площадью S(2.) , содержащую Я резервных элементов, на которой присутствие хотя бы одного микродефекта вызывает в целом ее отказ. Тогда статистическая модель выхода годных для схем с резервированием будет иметь вид:

Ря /5Л/

е-.о I!

или

Ря-К-А- ехр (- гзА/)) /5.2/ где 5

А =11 /5.3/

Для определения параметров N к К составляется система уравнений вида:

Ря (т)=К- Ат- ехр(-т1 бА/)} /5.4/

где /77 - количество кристаллов БИС с резервированием , составляющих многоэлеменгный кристалл размерности /77-.У.

Решение этой системы графически будет представлять множество точек, аппроксимируемое теоретической прямой в масштабе:

¿л РФ) _ г(±) /5.5/

-тгБ '^тГ

По величине наклона этой прямой к оси абсцисс определяют параметр X , а по пересечению ее с осью ординат - параметр//^, где:

ЫК N - • /5.6/

Поскольку для любого Я , отличного от нуля, А > I и 1пА > 0, то на основании выражения /5.6/ выполняется неравенство ЫЯ<Ы, то есть для БИС с резервированием точка пересечения наклонной прямой

с осью ординат располагается ниже аналогичной точки для БИС без резервирования. Введение резервирования позволяет за счет уменьшения плотности критических микродефектов на величину (¿л.А)/(т-5) увеличить выход годных БИС в А ■ Раз. Приведены зависимости выхода

годных БИС памяти и относительной площади кристалла, отводимой под резерв, от числа резервных элементов в схеме Я при различных значениях параметра/V. Рассмотрен фрагментарный анализ БИС, обосновано использование частично годных кристаллов при отработке технологии производства БИС с нерегулярной структурой. На базе ЭЕМ "Электроника 100-25" и языка ТОНТЯМ-А" разработана прикладная программа пКЕ1£#Уп для статистического анализа производства БИС с резервированием. Проведен анализ дефектности пластин БИС ЗУ 1Щ.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ:

1. На основе изучения особенностей производства ИМЭ установлено, что эффективность его контроля непосредственно связана с уровнем флуктуаций параметров технологического процесса изготовления кристаллов ИМЭ, под которыми подразумеваются любые случайные нарушения локального и глобального характера в ходе его проведения. При этом низкая эффективность существующих методов контроля технологии обусловлена отсутствием эффективных методов контроля дефектности рабочих пластин на основе моделирования выхода годных.

2. Предложена универсальная статистическая модель выхода годных ИМЭ, учитывающая потери продукции за счет локальных /микро-/ и грубых /макро-/ дефектов и позволяющая достоверно анализировать и прогнозировать производство ИМЭ.

3. Предложена и детально разработана оригинальная методика расчета составляющих модели выхода годных ИМЭ, основанная на экспериментальном подсчете на рабочей пластине долей, годных кристаллов размерности //77=1,2,3,...; £ - площадь кристалла ИМЭ/ горизонтальной и вертикальной ориентации. Методика опробована на широком классе ИМЭ, при этом установлено, что погрешность расчета составляющих модели не превышает 13% и определяется факторами, связанными

с существованием у пластин: области макродефектов, ограниченной площади, низкого выхода годных и малого общего числа кристаллов ИМЭ. Рассмотрено влияние каждого из перечисленных факторов на погрешность методики.

4. Предложенная модель выхода годных ИМЭ и разработанная методика расчета ее составляющих рассмотрены применительно к контро-

лю и анализу дефектности индивидуальной рабочей пластины с готовыми кристаллами ИМЭ. Определен перечень статистических параметров, характеризующих ее дефектность; разработаны алгоритм и программа расчета этих параметров на ЭВМ. Установлено наличие существенно малой величины погрешности расчета параметра N по сравнению с уровнем его флуктуации для отдельных частей индивидуальной пластины, позволяющее рассматривать предложенную модель выхода годных в качестве наиболее тонкого инструмента анализа производства ИМЭ.

5. Предложенная модель выхода годных ИМЭ и разработанная методика расчета ее составляющих опробованы при контроле и анализе дефектности рабочих пластин на стадии межоперационного контроля технологии. При этом в качестве мониторов дефектности пластин рассматривались как специально спроектированные элементы, расположенные вдоль линий скрайбирования кристаллов ИМЭ и контролируемые электрическим способом /тестовый контроль/, так и поля зрения, равномерно расположенные на пластине и контролируемые оптическим способом /оптический контроль/. Проведен анализ динамики изменения значений статистических параметров дефектности пластин при изменении норм контроля на параметры тестовых элементов. Установлено, что сочетание статистического анализа дефектности рабочих пластин, проводимого на стадии межоперационного тестового контроля технологии, с аналогичным анализом, проводимым на финише технологического маршрута по результатам зовдового контроля пластин с готовыми кристаллами ИМЭ, позволяет устанавливать зависимость между выходом годных ИМЭ и электрофизическими параметрами технологических слоев и, тем самым, определять "окно" процесса, гарантирующее при заданных проектных нормах стабильность выхода годных. Предложена и детально разработана методика оптического экспресс-контроля дефектности технологических слоев пластины на базе микроскопа "Е" /Германия/, позволяющая определять природу случайных дефектов.

6. Для различных значений параметра А/ и для различного числа контролируемых мониторов проведен анализ флуктуации числа появления годных мониторов на пластине. Представлены графические результаты, позволяющие проводить оптимизацию критериев отбраковки пластин на различных этапах межоперационного контроля технологии. Показано, что разработанный метод контроля дефектности рабочих пластин эффективно дополняет традиционные тестовые и оптические методы контроля технологии и по ряду показателей /достоверность и объективность контроля; трудоемкость контроля; длительность контроля;

возможность прогнозирования выхода годных по результатам контроля; необходимость применения дополнительного оборудования; информативность контроля; возможность контроля микродефектов/ имеет перед ними большие преимущества.

7. Предложенная модель выхода годных опробована при анализе н прогнозировании производства ИУЭ. Установлено, что стабильность технологии, оцениваемая по величине разброса числа годных кристаллов КМЗ на пластине, определяете,! фтуктуацией: средней плотности микродефектов, размера области макродефектов, выхода годных пластин, а такте случайным характером распределения микродефектов. Определен перечень параметров, возводящих анализировать и прогнозировать производство ИГО. Разработаны алгоритм и программа анализа и прогнозирования выхода годных ИМЭ на ЭВМ. Для широкого класса ИМЭ проведен расчет флуктуации выхода годных, установлено хорошее совпадение теоретических и экспериментальных значений этого показателя.

8. Предложенная модель выхода годных рассмотрена применительно к анализу и прогнозированию производства БИС с резервированием элементов. Разработана методика расчета составляющих модели выхода годных. Получены теоретические зависимости, позволяющие на основании данных об уровне дефектности рабочих пластин оптимизировать количество резервных элементов в схеме. Рассмотрено и детально обосновано использование частично годных кристаллов в качестве элементов анализа при отработке технологии изготовления БИС с регулярной и нерегулярной структурами; предложены варианты фрагментарного анализа БИС. Разработана программа анализа и прогнозирования на ЭШ производства БИС с резервированием элементов. Экспериментально установлено, что разработанный метод контроля дефектности рабочих пластин может быть эффективно применен для самого широкого класса ИГО кал полупроводниковой, так и неполупроводниковой технологии, при изготовлении которых используется операция мультиплицирования.

Научные результаты диссертационной работы представлены в следующих публикациях:

1. Особенности создания и стоимость КМОП КНС интегральных схем / Б.Л.Бойченко, А.Г.Кулинич, А.А.Радаев, М.Н.Титов - В кн.: Депонированные научные работы. - 1989. - й 2 (208). - Б0839. -Деп. Л 2552. - УК88 от 05.10.88.

2. Прогнозирование выхода годных БИС по анализу дефектности / В.Т.Гаврилов, В.Н.Дерюгин, А.А.Радаев и др. - Электронная

промышленность. - 1989. - Л 8. - С. 47-48.

3. Некрасова А.Ю., Радаев A.A., Титов М.Н. Методика анализа дефектности и отказов БИС при параметрическом тестировании с применением ЭШ // 7 ежегодный семинар ГШ: Тез. докл. - М., 1989.

4. Диагностика возникновения дефектов и отказов в БИС КНС при испытаниях на надежность / В.К.Аладошский, А.Ю.Некрасова, А.А.Радаев, М.Н.Титов - 7 ежегодный семинар ИЭП: Тез. докл. - М., 1989.

5. Методика анализа дефектности пластин с готовыми кристаллами / В.И.Герасин, А.А.Радаев, Я.Н.Сарашш, М.Н.Титов - Электронная техника. Сер. полупроводниковые приборы. - 1990. - Вып. 4 (207J, - С. 60-65.

6. Прогнозирование технико-экономических параметров производства на пластине кристаллов ИС / И.В.Журавлева, С.А.Остапчук, A.A. Радаев, М.Н.Титов - Электронная техника. Сер. микроэлектроника. -1990. - Вып. 4 (138.) . - С. 42-51.

7. Статистический анализ производства кристаллов БИС по результатам контроля дефектности отдельных частей пластин и контроля параметров тестовых структур на пластинах / М.Н.Титов, А.А.Радаев, Б.И.Яшкин, А.М.Гуляев - Электронная техника. Сер. полупроводниковые приборы. - 1991. - Вып. 4 (213). - С. 78-93.

8. Радаев A.A., Титов М.Н., Григорьев Н.Г. Статистический анализ дефектности производства кристаллов БИС с резервированием элементов // Электронная техника. Сер. полупроводниковые приборы. -1992. - Выл. 2 (215). - С. 77-105.

Подписано 1ч печати

Тираж {00 Заказ 1Ж

Печ- 1 П5

Ти пщ рафия М-)И. К р.'ичкжязар ценная, )3,