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Metrología un desafió en la industria del semiconductor a la frontera del micro et nano mundo Dr. Carlos Beitia, Ingeniero de aplicaciones, División de capas finas y superficies (FAST), KLA-Tencor Corp. 38240 Meylan, FRANCE Hoy en día la densidad de componentes electrónicos en los circuitos integrados (CI) ha progresado enormemente. Por ejemplo, los últimos procesadores de AMD a doble núcleo “Opteron” contiene en un CI de 199 mm 2 unos 233 millones de transistores o sea aproximadamente un millón de transistores en un mm 2 . ¡ La dimensión típica de estos transistores es del orden de 90 nm ! [1-2]. Es bajo este contexto que se toma real medida de las dificultades, desafíos y necesidades de la metrología necesaria para caracterizar, integrar y producir estos dispositivos electrónicos así como los materiales necesarios para su desarrollo. El aspecto predominante de la problemática es la escala del objeto de mesura. El hecho de tener que medir características físicas de objetos submicroscópicos o nanoscópicos juega un papel importante en la diferencia de metodología utilizada. La variabilidad global de la medida puede depender del modelo pero también puede depender de la interacción entre la sonda y el objeto de medida [3]. Para entender el contexto en que evoluciona la metrología en la industria del semiconductor se debe primero recordar a grandes rasgo las diferentes etapas de desarrollo, integración y producción de un CI. Se ilustrara con ejemplos las diferentes necesidades dependiendo de la etapa de producción. A continuación trataremos de ilustrar aplicaciones de metrología con dos casos tipos de medidas en diferentes módulos de producción y etapas de desarrollo en fabricación de dispositivos microelectrónicos. Las técnicas presentadas serán: La ellipsometría que esta basada en el cambio de polarización de la luz durante la reflexión en una superficie [4]. Esta técnica óptica tienes las ventajas de ser rápida y presentar la posibilidad de estudios in-situ y en tiempo real. Sin embargo presenta límites al nivel de la modelisación y la sensibilidad en el caso de capas muy finas como las puertas lógicas. En este caso los contaminantes orgánicos puede ser un real problema. La caracterización sin contacto de Corona Oxido-Semiconductor (COS) [5] es una técnica alternativa menos conocida y relativamente nueva en la industria. Esta se basa en una medida de capacitancia al depositar cargas (Corona) sobre capas dieléctricas depositadas en un semiconductor. La COS presenta la ventaja de medir directamente el “espesor eléctrico” de las capas aislantes y permite el estudio de la estructura electrónica de la interfaces. Su desaventaja radica en la complejidad para obtener información útil para el proceso. Otro problema fundamental son las corrientes de fuga debido a efecto túnel al nivel de la interfase En resumen la metrología en el medio de los semiconductores presenta una problemática dinámica conducida por el proceso de miniaturización e integración de los dispositivos electrónicos en un CI. Es una área de trabajo en constante evolución y plena de desafió para los físico de la industria. [1] 90nm & 65nm CMOS Technology Workshop, Arun Chatterjee, Junio 2005 France KLA-Tencor Corporation. [2] Multicore-The next evolution in computing, AMD-website [3] Metrology for Emerging Research Material and Devices, Garner et al, 2007 International Conference on Frontiers of Characterization and Metrology for Nanoelectronics, March 27-29, 2007 NIST Gaithersburg,MD [4] Spectroscopy Ellipsometry and Reflectometry: A user Guide, Harland. G. Tompkins and William A. McGahan, 1999, Wyley & Sons [5] Contacless Surface Charge Semiconductor Characterisation, D.K. Schroeder, Material Science and Engineering, B91-92, 2002, 196-210.

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Metrología un desafió en la industria del semiconductor a la frontera del

micro et nano mundo Dr. Carlos Beitia, Ingeniero de aplicaciones, División de capas finas y superficies (FAST), KLA-Tencor

Corp. 38240 Meylan, FRANCE

Hoy en día la densidad de componentes electrónicos en los circuitos integrados (CI) ha

progresado enormemente. Por ejemplo, los últimos procesadores de AMD a doble núcleo “Opteron”

contiene en un CI de 199 mm2 unos 233 millones de transistores o sea aproximadamente un millón

de transistores en un mm2. ¡ La dimensión típica de estos transistores es del orden de 90 nm ! [1-2].

Es bajo este contexto que se toma real medida de las dificultades, desafíos y necesidades de la

metrología necesaria para caracterizar, integrar y producir estos dispositivos electrónicos así como

los materiales necesarios para su desarrollo.

El aspecto predominante de la problemática es la escala del objeto de mesura. El hecho de

tener que medir características físicas de objetos submicroscópicos o nanoscópicos juega un papel

importante en la diferencia de metodología utilizada. La variabilidad global de la medida puede

depender del modelo pero también puede depender de la interacción entre la sonda y el objeto de

medida [3].

Para entender el contexto en que evoluciona la metrología en la industria del semiconductor

se debe primero recordar a grandes rasgo las diferentes etapas de desarrollo, integración y

producción de un CI. Se ilustrara con ejemplos las diferentes necesidades dependiendo de la etapa

de producción.

A continuación trataremos de ilustrar aplicaciones de metrología con dos casos tipos de

medidas en diferentes módulos de producción y etapas de desarrollo en fabricación de dispositivos

microelectrónicos. Las técnicas presentadas serán:

La ellipsometría que esta basada en el cambio de polarización de la luz durante la reflexión

en una superficie [4]. Esta técnica óptica tienes las ventajas de ser rápida y presentar la posibilidad

de estudios in-situ y en tiempo real. Sin embargo presenta límites al nivel de la modelisación y la

sensibilidad en el caso de capas muy finas como las puertas lógicas. En este caso los contaminantes

orgánicos puede ser un real problema.

La caracterización sin contacto de Corona Oxido-Semiconductor (COS) [5] es una técnica

alternativa menos conocida y relativamente nueva en la industria. Esta se basa en una medida de

capacitancia al depositar cargas (Corona) sobre capas dieléctricas depositadas en un semiconductor.

La COS presenta la ventaja de medir directamente el “espesor eléctrico” de las capas aislantes y

permite el estudio de la estructura electrónica de la interfaces. Su desaventaja radica en la

complejidad para obtener información útil para el proceso. Otro problema fundamental son las

corrientes de fuga debido a efecto túnel al nivel de la interfase

En resumen la metrología en el medio de los semiconductores presenta una problemática

dinámica conducida por el proceso de miniaturización e integración de los dispositivos electrónicos

en un CI. Es una área de trabajo en constante evolución y plena de desafió para los físico de la

industria.

[1] 90nm & 65nm CMOS Technology Workshop, Arun Chatterjee, Junio 2005 France KLA-Tencor

Corporation.

[2] Multicore-The next evolution in computing, AMD-website

[3] Metrology for Emerging Research Material and Devices, Garner et al, 2007 International Conference on

Frontiers of Characterization and Metrology for Nanoelectronics, March 27-29, 2007 NIST

Gaithersburg,MD

[4] Spectroscopy Ellipsometry and Reflectometry: A user Guide, Harland. G. Tompkins and William A.

McGahan, 1999, Wyley & Sons

[5] Contacless Surface Charge Semiconductor Characterisation, D.K. Schroeder, Material Science and

Engineering, B91-92, 2002, 196-210.

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II Congreso Nacional de Física 30 de julio al 3 de agosto de 2007

Universidad de Panamá

La FLa Fíísica para el desarrollo cientsica para el desarrollo cientíífico y tecnolfico y tecnolóógico de la gico de la Sociedad panameSociedad panameññaa

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Metrologia en la industria del Semiconductor a la frontera del micro

y nano mundoCarlos Beitia

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AgendaTendencia en el mercado de CI: Exigencias en metrologia para el control de proceso en los nodos tecnológicos actuales (90-65 nm) y futuros (45, 32 nm e inferiores). ITRS (International Technology Roadmap for semiconductor)

Metrologia en el contexto industrial del semiconductor

Cambio de paradigma en la metrologia industrial inducida por la escala del objeto de medida y la necesidad de alto rendimiento y volumen

Metrologia de Control de CalidadMetrologia de Caracterización y análisis

Ellipsometría una técnica bien conocida desde el inicio de la industria de semiconductores, sus limites y sus posibilidades en el contexto actual

Caracterización sin contacto por Corona Oxide Semiconductor, una técnica relativamente nueva sus limites y sus posibilidades

Conclusión

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Tendencia en el mercado de CI

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Tendencia en el mercado de la industria del semiconductor cualesson los factores conductores y en que dirección ?

Fuente reporte del ITRS 2005-2006

Diversificación-multifuncionalidad

Miniaturización

o La economía de la industria del semi-conductor conlleva una diversificación de clientes y con ella de productos

o Industria de competitividad y actividad muyDinámica. Ciclos tecnológicos cortos

o La aumentación de productos conlleva a una diversificación de tecnologías utilizada y reglas de diseños

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� El desarrollo del mercado nos lleva a mas funciones, mas integración, mas miniaturización

Sistemas e paquetesSistemas en CIDiversas reglas de diseños y arquitectura de CI

� Al final se resume en :

La economía de la Industria del Semiconductor : Factor conductor de la metrologia ?

Unidad de Área de Si Unidad de Área de Si

[ Valor Dispositivo ($) – Costo Dispositivo ($) ]

Valor del dispositivo/cm2 Rendimiento y funcionalidades

(Metrologia de Investigación y Desarrollo)

Costo del Dispositivo/cm2 Control y conocimiento del rendimiento de fabricación (Metrologia de Control)

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La economía de la Industria del Semiconductor : Factor conductor de la metrologia ?

� El rendimiento� El desarrollo e integración de nuevas

funcionalidades � La rapidez de aprendizaje

Unidad de Área de Si

[ Valor Dispositivo ($) – Costo Dispositivo ($) ]

El rendimiento de dispositivos cargados de funcionalidades (SIP y SOC) por

“Wafer” fabricado es la clave del éxito enla industria del semiconductor

90nm&65nm CMOS Technology Workshop, Arun Chatterjee, KLA-Tencor Corp.

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Metrologia en el contexto industrial del semiconductor

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Metrologia en el contexto industrial del SemiconductorMiniaturización de los dispositivos

Micro nano

Performance y funcionalidades

Por área

Reducción del costo Del CI

Motores del Desarrollo

Problemas Problemas de potencia

disipada y Problemas de performance

Alta contribución en el Rendimiento de

problemas de ejecución

Costo elevado de FAB y de produccion, Costo

elevado de FAB de Desarrollo

Posibles soluciones

Nodos tecnológicos< 90 nm

Nuevos materialesNuevos diseños de CINuevos DispositivosNuevas magnitudes físicas

Nuevo paradigma ?Mejore equipos de detección de defectos ?

Conversión a 300 mm ?FAB alianzasRelocalizacion a países a bajo costo (Asia)

Miniaturización tradicional no es mas valida ! Miniaturización equivalente !!

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La economía de la Industria del Semiconductor : Factor conductor de la metrologia ?

� Metrologia un utensilio indispensable para el control rendimiento y desarrollo de la producción de dispositivos mas complejos

� Los actores industriales son concientes : Crecimiento en la inversión de herramientas para aprendizaje del rendimiento

Projected Market Size 2004 (B $) 2009 (B $)Dispositivos Semiconductores 175 250

Equipo Semiconductor 30 50(% Dispositivos Semiconductores) 17,1% 20,0%

Proces Control Equipment 5 9(% de Equipos Semiconductor) 16,7% 18,0%

Fuente: VLIS Research, Aug, 2004

METROLOGIA Mejorar el rendimiento

Acelerar el aprendizaje del rendimiento

RENDIMIENTO

Fabricación de Wafer with CI= Wafers Out / # Wafers In

Rendimiento de CI en Wafer=# CI funcionando OK / # CI en el Wafers

Rendimiento de empaquetado de CI=# CI empaquetado OK / # CI al inicio del

empaquetamiento

90nm&65nm CMOS Technology Workshop, Arun Chatterjee, KLA-Tencor Corp.

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Cambio de paradigma: Metrologia de Control de proceso

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Industria del semiconductor: Que metrologia ?

Metrologia de Caracterización y análisis (Investigación y Desarrollo)

Excelente o buena ExactitudRapidez no es necesariaVersátil y flexible

Producción Piloto Producción de alto

volumen

Concepción y Diseño de el CI

Fabricación y prueba de prototipo

Definición del proceso

Industrial

Deposición de capas de

materiales

Impresión de foto-mascara

Dopaje y tratamientos

térmicos

Metalización

Investigación y Desarrollo Corte y empaque

Corte de CI y empacado

Metrologia de Control (Desarrollo o transferencia de tecnología y Producción)

Aceptable ExactitudRapidezIntegrada ??Excelente “matching”

En ciertos casos una mezcla resultado de un compromiso de requisitos

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La Industria del Semiconductor : Metrologia de controlFuentes de variabilidad en la metrologia:

Exactitud: Que tan lejos estamos de la valor “REAL”Comparación con patrones calibrados

Precisión: Variabilidad del instrumento y de la interacción instrumento-muestraMedidas sobre una muestra en un mismo punto

Repetabilidad: Variabilidad del proceso de medida y/o del factores del ambiente local Medidas sobre una muestra (diferentes personas, diferente horas)

Estabilidad: Variabilidad de la fabrica (proceso, equipos, materiales, ambiente) a largo plazoMedidas de una muestra en un periodo de tiempo largo (semana-meses) o medida de diferentes muestras producidas en un periodo de tiempo largo (semana-meses)

Matching: Variabilidad entre equipos de medidas, técnicas de medidasMedida de una misma muestra en dos equipos diferentes usando la misma técnica, medida de una muestra en diferentes fabricas …

Oded Tal, Improving process yield by utilizing smart SPC rules2003 International conference on compound Semiconductor manufacturing

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La economía de la Industria del Semiconductor : Metrologia de control

Estrategia global de metrologia de PRODUCCION para controlar un proceso

Equipo Proceso A

Medida Proceso A

Equipo de medida (Óptico, TEM – SEM …)Mapa de medida (5 pt, 49 pts ..)Tamaño de la muestra (1-2 o todos lo Wafer)

COSTO (Tiempo !!)

Medida OK ?

Control Equipo de Medida SPC

Equipo Proceso B

Equipo OK ?Proceso no conforme !!Waferrecuperable ?

Perdida Wafer(COSTO) !!

Intervención sobre Equipo de medida

COSTO (tiempo) !!

Equipo ProcesoOK ?

Control Equipo Proceso A

Equipo Medida

Intervención sobre Equipo de medida

COSTO (tiempo) !!

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La economía de la Industria del Semiconductor : Metrologia de controlCAMBIO !!! Motivado por la reducción de costo y mayor rendimiento :Estrategia global de metrologia de PRODUCCION para controlar un proceso

Equipo Proceso A

Medida Proceso A

Equipo de medida (Óptico, TEM – SEM …) Mapa de medida (5 pt, 49 pts ..) Tamaño de la muestra (1-2 o todos lo Wafer)

Muestreo Dinámico !!! Gana Tiempo –# Equipo $$$$

Medida OK ?

Control Equipo de Medida SPC

Equipo Proceso B

Equipo OK ?Proceso no conforme !!Waferrecuperable ?

Perdida Wafer(COSTO) !! $$

Intervención sobre Equipo de medida COSTO (tiempo) !!$$

Equipo ProcesoOK ?

Control Equipo Proceso A

Control Equipos Proceso y medida. FDC (Fault Detection and Classification) Tiempo Real ! $$$$

Equipo Medida

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La economía de la Industria del Semiconductor : Metrologia de control

CAMBIO !!! Motivado por la reducción de costo y mayor rendimiento :Nuevo Paradigma !! Posible ??

Fuente : Virtual Metrology and Your Technology Watch List: Ten Things You Should Know About This Emerging Technology(1/9/2007) Future Fab Intl. Volume 22By Alan Weber, Alan Weber and Associates

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Cambio de paradigma: Metrologia de Caracterización

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La economía de la Industria del Semiconductor : Metrologia de caracterización y análisis

CAMBIO !!! Motivado por el cambio de miniaturización. Nuevos materiales, nuevas propiedades nuevas exigencias

Voltage Tunnel & Delta VtEOT (Puerta)Trampas de interface Dit

Voltage Tunnel & Delta Vt Corriente de Fuga JlkEOT (Puerta) % Metal en PuertaTrampas de interface Dit % Hf en Puerta

EOT (Puerta) Corriente de Fuga Jlk % O en Puerta Trampas de interface Dit % Hf en Puerta % N en PuertaCorriente de Fuga Jlk % O en Puerta % Ge, B e C en SiGe

Trampas de interface Dit % O en Puerta % N en Puerta Forma del dispositivoCorriente de Fuga Jlk % N en Puerta % Ge, B e C en SiGe Structura de Defectos% O en Puerta % Ge en SiGe Forma del dispositivo Revision de Defectos% N en Puerta Forma del dispositivo Structura de Defectos Estructura del FINFET% Ge en SiGe Structura de Defectos Revision de Defectos Inspeccion FINFETStructura de Defectos Revision de Defectos FUSI (NiSi) contactos FUSI (NiSi) contactosRevision de Defectos Stress local Stress local Stress localPuerta SiON valor de k Puerta SiON valor de k Puerta SiON valor de k Puerta SiON valor de kParametros Stress-Si Parametros Stress-Si Parametros Stress-Si Parametros Stress-Si

Revision de Defectos Parametros SOI Parametros SOI Parametros SOI Parametros SOIConstante Dielectrica k ILD ILD k ILD k ILD k ILD kEspesor de los materiales Espesor de los materiales Espesor de los materiales Espesor de los materiales Espesor de los materialesTalla de dispositivo Talla de dispositivo Talla de dispositivo Talla de dispositivo Talla de dispositivoTalla y tipo de Defecto Talla y tipo de Defecto Talla y tipo de Defecto Talla y tipo de Defecto Talla y tipo de Defecto

Micro

Nano

Miniaturización tradicional Miniaturización Equivalente Mas allá del CMOS - nano

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Tendencias y necesidades de la industria del semiconductor� El contexto económico impone bajo costos y mas funcionalidades� Miniaturización e integración mas complicadas� Mas parámetros de control de procesos y un control mas estricto

Parámetro de proceso

Talla característica del dispositivo

Eléctrico

Elemental

Estructural

Físico

Electricos

ElectricosElementales

ElectricosElementales

Electricos Elementales Estructurales

Elementales EstructuralesEstructurales

FisicoEstructurales Fisico

FisicoFisico

EstructuralesFisicos

Regla de Diseño >= 130 nm Regla de Diseño <= 130 nm

- Materiales « simples »-- # Parámetros de control reducidos -- Metrologia Clásica-- Análisis de Rendimiento Clásicos

-- Materiales «complejos-exóticos»-- # Parámetros de control en constante aumentación- Metrologia Innovarte- Análisis de rendimiento innovarte

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La economía de la Industria del Semiconductor : Metrologia de caracterización y análisis

CAMBIO !!! Motivado por el cambio de miniaturización. 0,130 micrón debajo de 0,09 micrón (90 nm y mas)

Metrologia (propiedades locales sobre objetos nanométricos)Estructurales y morfológicosEstequiometría y análisis elemental de capas finas Interfaces

Corriente de fugaAnálisis elemental de la interfaseEspesor (~ 2 nm)Nuevos materiales

Estructura y talla critica de la puerta lógica (~ 90 – 32 nm)

Rugosidad de las paredes de la puerta lógica

Stress mecánico del canal de conducción 3D(~ 90 – 32 nm)

Fluctuación del dopajeDensidad y perfil 3D del dopaje Resistividad Fuente

Drenador

Defectos cristalográfico del Canal de conducción

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La Elipsometría

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La economía de la Industria del Semiconductor : Metrologia de caracterización y análisisElipsometría principio

BUENOSin contacto, “no destructiva”Rápida ‘tiempo real’Posibilidades “in situ”

MALOTalla de la sonda (~ 50 micrón en equipos de producción)Necesita modelisaciónLa complejidad del modelo se acentúa con la disminución del espesor (y la preponderancia de superficie e interfaces)

R

R

p

s

tanΨ∆e iR

R

p

s= =

∆e ixs

p

xS’

P’

Polarizadorgirando

Analizador

Monocromador

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La economía de la Industria del Semiconductor : Metrologia de caracterización y análisis

Elipsometría principio de modelisación y ajuste para la obtención de la medida

Resultados de la Medida :

Tan Ψ(λ)

Cos ∆(λ)

Modelo óptico Calculo :

Estructura de las capa finas (bicapa, rugosa, gradiente ... ?

Modelo nk

Tan teórico Ψ(λ) = f (n, k – structura)

Cos teórico ∆(λ) = f (n, k – structura)

Algoritmo de Ajuste :

Tan teórico Ψ(λ) Tan Ψ(λ)

Cos teórico ∆(λ) Cos ∆(λ)

Resultado de la medida :

n, k – porosidad u otro parámetro del modelo …

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La economía de la Industria del Semiconductor : Metrologia de caracterización y análisis

Elipsometría Problemas debido a la miniaturización !! Oxido aislante de la puerta lógica 2-3 nm !!

Señal es tan débil que la señal proveniente de especies moleculares depositadas o absorbidas en la superficie influencia la medida

25 50 75 100 125 150 175 200tim e

20.5

21

21.5

22

22.5

23

23.5

24

24.5Thickness AM Cgrowth

25 50 75 100 125 150 175 200tim e

20.5

21

21.5

22

22.5

23

23.5

24

24.5Thickness AM Cgrowth

TheoryT = Tox + A*[1-B/Exp(C*time)]

Where the parameters A, B and C are:

Oxido de Puerta Logica

2121,5

2222,5

2323,5

2424,5

2525,5

5-mars

-0310

-mar

s-03

15-m

ars-0

320

-mar

s-03

25-m

ars-0

330

-mar

s-03

4-avr-

039-a

vr-03

14-av

r-03

19-av

r-03

24-av

r-03

29-av

r-03

Dia y tiempo

Espe

sor (

A)

W IDWo ID

(1 ) a dk N ktθ θ θ∂

= − −∂

B = ka/(ka + kd)C= ka + kd

A=<r> apparent equilibrium thickness

Solución KLA-TencorTM

Desorbcion por Calentamiento local AccuFilmTM

Tiempo

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La economía de la Industria del Semiconductor : Metrologia de caracterización y análisis

Elipsometría Problemas debido a la miniaturización !! Nuevo materiales Nuevas posibilidades

Estructura de absorción por debajo del Gap Óptico !!

Indican defectos en la banda prohibida !

Posibilidad de utilizar de manera indirecta SE para caracterización eléctrica ?

Mas y mas modelisación !

HfO2

Carbón Amorfo :H

Gap Óptico !! Cambia !!

SP2/SP3 cambia

Transición grafítica ?

Metal - Conductor

ε = ε1 + i ε2ε = n2 - k2 – 2 i nk

and ε2 α f (E, Eo, Eg,)

Smith, J. App. Phys. Vol.55No2, Feb 1994

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La economía de la Industria del Semiconductor : Metrologia de caracterización y análisis

CAMBIO !!! Motivado por el cambio de miniaturización. 0,130 micrón debajo de 0,09 micrón (90 nm y mas)Metrologia alcanza sus limites ejemplo : Reducción de la capa de SOI en los transistores

Influencia en lafunción dieléctrica

Red shift StressBlue Shift %Ge

Intensidad % PCristalinidad Sin efecto

-Necesita controlar mejor Concentración %Ge, % P; « Estrés » local

Mejor caracterización y calculo de Dispersión dieléctrica a la escala « nano »

Cambio !!! MULTIPLES TECNICAS Y MODELISACION !!!

Metrology for nanoelectronic, Alain C. Diebold, Frontiers of Characterization and Metrology for Nanoelectronics , NIST conference, Gaithesburg Maryland, March 2007

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Caracterización sin Contacto Corona Oxido Semiconductor

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La economía de la Industria del Semiconductor : Metrologia de caracterización y análisis

Caracterización Corona Oxido Semiconductor

Principio

BUENOSin contacto, “no destructiva”Eléctrica !!Versátil (Carga, SPV, Contaminación, Corriente de fuga etc.)

MALOUn poco lenta !No es posible en wafer con impresos (con CI)Eliminación de la carga !

Corona Bias,Q

P SILICON

OXIDE

+8kV

CoronaSource,CO3

-, H3O+

- -+ +

SPV

Surface Photovoltage,SPV

LIGHT

Kelvin Probe,Vsurf

Kelvin ProbeElectronics

Mechanical Oscillator

Vsurf

Transient Detection

Apply Qcorona BiasMeasure each ∆Q

1. 2. 3.

Measure Vs (=Vox+ψ)Probe vibration drives

AC current:

Stop vibration, flash light,and measure SPV:

4. Repeat

I = Vs

- Vkp

dCdt

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

I Cddt

≈ψ

Corona Bias,Q

P SILICON

OXIDE

+8kV

CoronaSource,CO3

-, H3O+

- -+ +

SPV

Surface Photovoltage,SPV

LIGHT

Kelvin Probe,Vsurf

Kelvin ProbeElectronics

Mechanical Oscillator

VsurfVsurf

Transient Detection

Apply Qcorona BiasMeasure each ∆Q

1. 2. 3.

Measure Vs (=Vox+ψ)Probe vibration drives

AC current:

Stop vibration, flash light,and measure SPV:

4. Repeat

I = Vs

- Vkp

dCdt

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

I Cddt

≈ψ

QuantoxTM es la solucion COS de KLA-TENCORTM

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La economía de la Industria del Semiconductor : Metrologia de caracterización y análisis

Caracterización Corona Oxido Semiconductor PrincipioAl cargar la superficie y medir Vs y SPV sondeamos la banda prohibida del material

-Vsi = SPV

Qsurface

AccumulationFlatband

Depletion

Inversion-------

++ ++ ++ ++ +

++

-------

++++++++

-------

Vsi=ψ-

+

+

≈ -0.5V

≈ +0.1V

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La economía de la Industria del Semiconductor : Metrologia de caracterización y análisisCaracterización Corona Oxido Semiconductor Principio

-5.0

-3.0

-1.0

1.0

3.0

-2.0E-07 0.0E+00 2.0E-07

Applied Q Bias (C/cm2)

Surf

ace

Volta

ge, V

surf

(V)

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

Surface PhotoVoltage, SPV (V)

SPV-Q

V-Q

Qtot: Total oxide charge @ flatband:

Q Qtot biasInitial SPV

SPV

= −=

∑0

Dit1q

dQd

dQd= −

⎣⎢⎢

⎦⎥⎥Ψ Ψ( ) ( ).meas theory

Dit: Q-V ‘stretch-out’in depletion:

Tox: Q-V slopein accumulation:

TdVdQox oxide

ox

bias= ε

Vfb: Surface Voltage @ flatbandV Vfb s SPV

== 0

Ultra-thin Gate thickness In-Line monitoring: Correlation of thickness value extracted fromQuantox COS and MOS capacitor characteristics, Kwame N. Eason et al, Semiconductor international, 3/1/2003 QuantoxTM es la solucion COS de KLA-TENCORTM

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La economía de la Industria del Semiconductor : Metrologia de caracterización y análisisCaracterización Corona Oxido Semiconductor Oxido de puerta lógica

Menos dependiente de contaminación Orgánica ambiental AMC !!

4 nm !!

Menos dependiente de contaminación Orgánica ambiental AMC !!

Mide EOT !! Para los nuevos materiales

Combinada con óptica Valor de kCaracterización de nuevos materiales interconectores SiOCH y materiales porosos !

38

40

42

44

46

48

0 500 1000 1500 2000Time (min)

Wafers removed from furnace at t=0

T ox (

Å)

Tox (Quantox)

Tox (Optical)

Tox Medido con Corona

Ultra-thin Gate thickness In-Line monitoring: Correlation of thickness value extracted fromQuantox COS and MOS capacitor characteristics, Kwame N. Eason et al, Semiconductor international, 3/1/2003

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La economía de la Industria del Semiconductor : Metrologia de caracterización y análisis

Sensibilidad y posibilidad de medir corrientes de fuga !!Puerta lógicas

Efecto Túnel directoDisminución de la barrera (FN)SILK

Capas dieléctricas Interconectares e ínter niveles

Quantox measures capacitanceOptical SE measures film thickness

EOTT

K optical9.3=−−− −

SEQuantox

Τ opticalC Quantox

−−− −SEQuantox

−−− −SEQuantox

Τ opticalC Quantox

Que mecanismo de conducción en los materiales a bajo k para los interconectores e interniveles ?Modelisación – experimentos Mecanismo Poole Frenckel o una combinación con SILK (stress induced leakage)

Material a baja constante dielectrica

Hysteresis Loop

-0,7

-0,6

-0,5

-0,4

-0,3

-0,2

-0,1

0

0,1

-2,50E-06 -2,00E-06 -1,50E-06 -1,00E-06 -5,00E-07 0,00E+00 5,00E-07 1,00E-06

Charges Deposited (Coul/cm2)

SPV

(V)

SPV1-UV curedSPV1-e-BeamSPV1-SiN

Distintos materiales, Distinta trampas !

Distinta hysteresis !!

Caracterización sin contacto Corona Oxido Semiconductor COS Corrientes de fuga

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Conclusiones

� La tendencia económica del mercado en funcionalidades, ejecución y producción de alto volumen exigen un cambio en la miniaturización de CI, Nuevos materiales nuevos diseños y nuevas propiedades

� La metrologia es Necesaria para poder cumplir con estos nuevos requisitos !!

� La metrologia de control cambiara de modelo !

� La metrologia de caracterización presenta limites y retos debido a las nuevas propiedades (stress, corrientes de fuga, composición elemental) que entran en juego en los nuevos materiales introducidos (high k, low k, strained) !

� La elipsometría es una técnica que aun tiene futuro pero se basara mas y mas en la modelisación y calculo

� Caracterización Corona Oxido Semiconductor es una técnica con futuro y potencial de desarrollo pero el contexto económico decidirá su forma y nivel de adopción en el futuro