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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.
II Congreso Nacional de Física
30 de julio al 3 de agosto de 2007
Universidad de Panamá
La Física para el desarrollo científico y tecnológico de la
Sociedad panameña
Metrologia en la industria del
Semiconductor a la frontera del micro
y nano mundo
Carlos Beitia
Agenda
¾
Tendencia 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)
¾
Metrologia en el contexto industrial del semiconductor
¾
Cambio de paradigma en la metrologia industrial inducida por la escala del objeto
de medida y la necesidad de alto rendimiento y volumen
¾
¾
Metrologia de Control de Calidad
Metrologia de Caracterización y análisis
¾
Ellipsometría una técnica bien conocida desde el inicio de la industria de
semiconductores, sus limites y sus posibilidades en el contexto actual
¾
Caracterización sin contacto por Corona Oxide Semiconductor, una técnica
relativamente nueva sus limites y sus posibilidades
¾
Conclusión
Tendencia en el mercado de CI
Tendencia en el mercado de la industria del semiconductor cuales
son los factores conductores y en que dirección ?
Diversificación-multifuncionalidad
Miniaturización
La economía de la industria del semiconductor conlleva una diversificación de
clientes y con ella de productos
o
La aumentación de productos conlleva a
una diversificación de tecnologías utilizada
y reglas de diseños
o
Industria de competitividad y actividad muy
Dinámica. Ciclos tecnológicos cortos
o
Fuente reporte del ITRS 2005-2006
La economía de la Industria del Semiconductor : Factor conductor
de la metrologia ?
El desarrollo del mercado nos lleva a mas funciones, mas
integración, mas miniaturización
z
z
z
Sistemas e paquetes
Sistemas en CI
Diversas reglas de diseños y arquitectura de CI
Al final se resume en :
[ Valor Dispositivo ($) – Costo Dispositivo ($) ]
Unidad de Área de Si
Unidad de Área de Si
Valor del dispositivo/cm2 Æ Rendimiento y funcionalidades
(Metrologia de Investigación y Desarrollo)
Costo del Dispositivo/cm2 Æ Control y conocimiento del rendimiento
de fabricación (Metrologia de Control)
La economía de la Industria del Semiconductor : Factor conductor
de la metrologia ?
[ Valor Dispositivo ($) – Costo Dispositivo ($) ]
Unidad de Área de Si
El rendimiento de dispositivos cargados
de funcionalidades (SIP y SOC) por
“Wafer” fabricado es la clave del éxito en
la industria del semiconductor
90nm&65nm CMOS Technology Workshop, Arun Chatterjee, KLA-Tencor Corp.
El rendimiento
El desarrollo e integración de nuevas
funcionalidades
La rapidez de aprendizaje
Metrologia en el contexto industrial
del semiconductor
Metrologia en el contexto industrial del Semiconductor
Miniaturización de los dispositivos
Micro Æ nano
Nodos tecnológicos
< 90 nm
Motores del
Desarrollo
Problemas
Performance y
funcionalidades
Por área
Problemas de potencia
disipada y Problemas de
performance
Reducción del costo
Del CI
Alta contribución en el
Rendimiento de
problemas de ejecución
Costo elevado de FAB y
de produccion, Costo
elevado de FAB de
Desarrollo
Miniaturización tradicional no es mas valida ! Miniaturización equivalente !!
Posibles
soluciones
Nuevos materiales
Nuevos diseños de CI
Nuevos Dispositivos
Nuevas magnitudes físicas
Nuevo paradigma ?
Mejore equipos de
detección de defectos ?
Conversión a 300 mm ?
FAB alianzas
Relocalizacion a países a
bajo costo (Asia)
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
RENDIMIENTO
Projected Market Size 2004 (B $) 2009 (B $)
Dispositivos Semiconductores
Equipo Semiconductor
(% Dispositivos Semiconductores)
Proces Control Equipment
(% de Equipos Semiconductor)
175
30
17,1%
5
16,7%
250
50
20,0%
9
18,0%
™
™
Fuente: VLIS Research, Aug, 2004
™
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
METROLOGIA
™ Mejorar el rendimiento
Acelerar el aprendizaje
del rendimiento
™
90nm&65nm CMOS Technology Workshop, Arun Chatterjee, KLA-Tencor Corp.
Cambio de paradigma: Metrologia
de Control de proceso
Industria del semiconductor: Que metrologia ?
Investigación y
Desarrollo
Producción Piloto
Producción de alto
volumen
Concepción y
Diseño de el CI
Deposición de
capas de
materiales
Fabricación y
prueba de prototipo
Impresión de fotomascara
Definición del
proceso
Industrial
Corte y empaque
Corte de CI y
empacado
Dopaje y
tratamientos
térmicos
Metalización
Metrologia de Caracterización y
análisis (Investigación y
Desarrollo)
‰
‰
‰
‰
Excelente o buena Exactitud
Rapidez no es necesaria
Versátil y flexible
Metrologia de Control (Desarrollo o
transferencia de tecnología y Producción)
‰
‰
‰
‰
‰
‰
Aceptable Exactitud
Rapidez
Integrada ??
Excelente “matching”
En ciertos casos una mezcla resultado de un
compromiso de requisitos
La Industria del Semiconductor : Metrologia de control
Fuentes de variabilidad en la metrologia:
‰
Exactitud: Que tan lejos estamos de la valor “REAL”
‰
‰
Precisión: Variabilidad del instrumento y de la interacción instrumento-muestra
‰
‰
Medidas sobre una muestra (diferentes personas, diferente horas)
Estabilidad: Variabilidad de la fabrica (proceso, equipos, materiales, ambiente) a largo plazo
‰
‰
Medidas sobre una muestra en un mismo punto
Repetabilidad: Variabilidad del proceso de medida y/o del factores del ambiente local
‰
‰
Comparación con patrones calibrados
Medidas 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 medidas
‰
Medida 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 rules
2003 International conference on compound Semiconductor manufacturing
La economía de la Industria del Semiconductor :
Metrologia de control
Estrategia global de metrologia de PRODUCCION para controlar un proceso
Equipo
Medida
Equipo
Proceso
A
Medida OK ?
Medida Proceso A
Equipo Proceso
OK ?
Equipo de medida (Óptico, TEM – SEM …)
Mapa de medida (5 pt, 49 pts ..)
Tamaño de la muestra (1-2 o todos lo
Wafer)
Control Equipo de
Medida SPC
COSTO (Tiempo !!)
Control Equipo
Proceso A
Intervención sobre
Equipo de medida
COSTO (tiempo) !!
Wafer
recuperable ?
Perdida Wafer
(COSTO) !!
Proceso no conforme !!
Equipo OK ?
Intervención sobre
Equipo de medida
COSTO (tiempo) !!
Equipo
Proceso
B
La economía de la Industria del Semiconductor :
Metrologia de control
CAMBIO !!! Motivado por la reducción de costo y mayor rendimiento :
Estrategia global de metrologia de PRODUCCION para controlar un proceso
Control Equipos Proceso y
medida. FDC (Fault
Detection and Classification)
Tiempo Real ! $$$$
Equipo
Medida
Equipo
Proceso A
Medida OK ?
Medida Proceso A
Equipo Proceso
OK ?
Equipo de medida (Óptico, TEM – SEM …)
Mapa de medida (5 pt, 49 pts ..)
Tamaño de la muestra (1-2 o todos lo Wafer)
Control Equipo de
Medida SPC
Muestreo Dinámico !!! Gana Tiempo –
# Equipo $$$$
Control Equipo
Proceso A
Wafer
recuperable ?
Perdida Wafer
(COSTO) !! $$
Proceso no conforme !!
Equipo OK ?
Intervención sobre
Equipo de medida
COSTO (tiempo) !!$$
Equipo
Proceso B
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 22
By Alan Weber, Alan Weber and Associates